雷雨念 陳奎生 湛從昌

(1:武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北武漢 430081；2:武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院 湖北武漢 430081)

1 前言

作為液壓伺服系統(tǒng)中的一個(gè)執(zhí)行元件，伺服液壓缸的性能直接關(guān)系著伺服系統(tǒng)運(yùn)行的精度。液壓伺服系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性、精度和快速響應(yīng)性上有著極高的要求[1]。因此，伺服缸的密封與泄漏的研究就顯得極為重要。Y型密封圈是液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)中常用的往復(fù)密封件之一。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、耐壓性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)Y型密封圈的研究大多都是采用了有限元分析模型。汝紹鋒等[2]分析了在初始?jí)嚎s率不同的情況下，Y型密封圈密封性能的變化規(guī)律。李騰等[3]探討了密封圈的唇外傾角以及唇谷高給密封圈密封性能帶來(lái)的影響。孟華榮等[4]分析了Y型密封圈在工作溫度、流體壓力等不同的情況下，最大剪切應(yīng)力的位置和大小的變化。王剛等[5]研究分析了在壓縮率和載荷不同的情況下，Y型密封圈應(yīng)力隨油壓的變化情況。Zhang Yajun等[6]分析了Y型密封圈在溫度和工作壓力不同的情況下，密封圈密封性能的變化。黃樂(lè)等[7]分析了Y型圈抗擠出能力隨工作壓力的變化情況。王世強(qiáng)等[8]分析了在不同的工作壓力下，密封圈的變形與壓力分布情況，并通過(guò)分析得出了密封圈接觸應(yīng)力的分布規(guī)律。

Y形密封圈截面形狀復(fù)雜，不同的尺寸參數(shù)會(huì)直接影響密封圈的密封性能和使用壽命。目前，Y型密封圈的截面設(shè)計(jì)很難有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，很大程度上都依賴于設(shè)計(jì)師平時(shí)的工作積累[9]～[11]。本文在之前研究的基礎(chǔ)上對(duì)密封圈內(nèi)外唇高度差和密封圈的唇厚度進(jìn)行研究，利用ANSYS有限元分析軟件，模擬Y形密封圈的唇高度差和唇厚度在不同油壓下的應(yīng)力和壓力分布情況，并分析不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封圈密封性能的影響。

2 伺服液壓缸結(jié)構(gòu)及其工作原理

液壓伺服系統(tǒng)是使位移、速度或力等能自動(dòng)準(zhǔn)確地隨著輸出量的變化而發(fā)生變化，而伺服液壓缸作為液壓伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)機(jī)械能輸出，可以在高頻環(huán)境下驅(qū)動(dòng)工作載荷，從而實(shí)現(xiàn)高精度、高響應(yīng)控制，其性能的好壞直接影響著系統(tǒng)的控制精度。

圖1 伺服液壓缸結(jié)構(gòu)圖1-活塞桿;2-防塵圈;3-前端蓋;4-Y型密封圈;5-支撐圈;6-缸體;7-螺母;8-連桿;9-套筒;10-安裝板;11-位移傳感器;12-位移傳感器支座;13-后端蓋

所選伺服液壓缸結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，液壓缸通過(guò)液壓油產(chǎn)生的壓力進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，防塵圈與外部空氣側(cè)相通，防止灰塵混入液壓缸的往復(fù)密封件中，導(dǎo)致活塞桿磨損；Y型圈作為密封件可以防止發(fā)生內(nèi)泄露；支撐環(huán)起到支撐作用，防止金屬之間直接摩擦，保護(hù)活塞桿不被損壞。

3 有限元模型的建立

3.1 幾何模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

現(xiàn)以某液壓缸活塞桿用Y形密封圈為研究對(duì)象，所用密封圈型號(hào)為Y50×65×12.5，其材料為腈基丁二烯橡膠(NBR)，主要截面尺寸如圖2所示。

圖2 Y形密封圈參數(shù)化模型(mm)s-唇高度差;e-唇厚

3.2 有限元模型建立

根據(jù)密封圈及其相應(yīng)的溝槽尺寸建立幾何模型?；钊麠U基本直徑為50mm，密封圈安裝完成之后，活塞桿和缸蓋之間的間隙為0.2mm，密封圈工作壓力范圍為0～15MPa?；钊麠U運(yùn)動(dòng)速度為0.1m/s～0.5m/s，端蓋與活塞桿之間的間隙為0.2mm。為了便于做有限元分析，現(xiàn)將密封圈材料做出以下考慮：

1)忽略其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生的松弛和蠕變。

2)將橡膠密封圈的材料抽象為近視不可壓縮。

3)將密封圈材料視為各向同性且均勻連續(xù)。

4)忽略溫度的影響。

現(xiàn)將三維軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型，并在施加載荷時(shí)使用較小的載荷增量，以此來(lái)保證計(jì)算收斂。

由于其應(yīng)力表現(xiàn)為強(qiáng)烈的非線性，本文采用2個(gè)系數(shù)的Mooney-Rivlin模型[12]來(lái)對(duì)Y型密封圈材料進(jìn)行分析。該材料的函數(shù)關(guān)系式如下：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：W-應(yīng)變勢(shì)能；

I1、I2-第一和第二Green應(yīng)變不變量；

它與橡膠硬度H和彈性模量E的關(guān)系如下：

lgE=0.0198H-0.5432

(2)

E=6(C10+C01)

(3)

C01=0.25C10

(4)

材料硬度同溫度之間的關(guān)系為：

H=H0+φ(T-23)

(5)

式中：H-工作溫度下材料的硬度;

H0-標(biāo)準(zhǔn)溫度23℃時(shí)材料的硬度，單位IRHD；

圖8為0.125 g TNT炸藥球填實(shí)爆炸下，花崗巖中實(shí)測(cè)的球面波徑向粒子速度波形的時(shí)間特征隨比距離的變化關(guān)系?？梢缘玫剑涸跍y(cè)點(diǎn)半徑10 mm處，波形上升沿ΔTr約為0.5 μs；在測(cè)點(diǎn)半徑120 mm處，ΔTr約為5.3 μs；二者相比，ΔTr展寬了約10倍。另外，ΔTr、波形半高寬ΔT1/2及波形正向脈寬ΔT+均有隨著比距離增加而增加的趨勢(shì)。球面波在花崗巖中傳播的展寬效應(yīng)也反映了其非線性動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的復(fù)雜性，基于理想彈性假設(shè)的波傳播理論，無(wú)法對(duì)其波形的傳播演化規(guī)律進(jìn)行合理解釋。

φ-修正系數(shù)；

T-工作溫度，單位℃。

本文取修正系數(shù)φ取值為0.175，伺服液壓缸工作溫度T為23℃，標(biāo)準(zhǔn)溫度下硬度H0為85IRHD。經(jīng)計(jì)算得到彈性模量E=14.44MPa，C10=1.87,C01=0.47。

做有限元分析時(shí)使用了兩個(gè)載荷步，先讓活塞桿移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)的位置，使其和端蓋之間的間隙為0.2mm，使密封圈處于壓縮狀態(tài)，然后施加流體壓力，活塞桿向前移動(dòng)。為了避免Y型密封圈唇邊和密封圈之間接觸對(duì)的互相滲透，這里采用的求解方法為L(zhǎng)agrange法。當(dāng)P=0MPa時(shí)，通過(guò)活塞桿的軸向移動(dòng)得到Y(jié)型密封圈的初始有限元模型，情況如圖3所示，箭頭所指方向?yàn)榛钊麠U移動(dòng)方向。

圖3 Y形密封圈軸向移動(dòng)模型

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 對(duì)密封圈密封性能的影響

4.1.1 接觸壓力

利用ANSYS軟件對(duì)Y形圈模型進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)改變Y形圈的唇高度差s和油壓p，得到相應(yīng)情況下的Von Mises應(yīng)力云圖和接觸壓力云圖，并以此為依據(jù)，分析唇高度差對(duì)密封圈密封性能的影響。Von Mises應(yīng)力即等效應(yīng)力，反映了截面上的主應(yīng)力差值的大小。Von Mises應(yīng)力值越大的區(qū)域，材料越容易出現(xiàn)松弛，壽命越短，接觸應(yīng)力的大小則直接反映了密封圈的密封性能。當(dāng)最大接觸壓力不小于油壓p的時(shí)候，Y形密封圈才能保證其密封效果，接觸壓力越大，其密封性能越好。

當(dāng)油壓為P=3MPa時(shí)，密封圈唇厚度e為2mm，摩擦系數(shù)f=0.2時(shí)，改變Y型密封圈內(nèi)外唇高度差，密封圈與活塞桿的接觸壓力和與端蓋的接觸壓力情況如圖4所示。

由圖4可以看到密封圈的最大接觸壓力總是大于油壓的，而且唇高度差對(duì)于短唇接觸壓力的影響較大，對(duì)于長(zhǎng)唇的接觸壓力沒(méi)有明顯影響。并且隨著唇高度差s的增大，密封圈的最大接觸壓力呈先增大再減小的趨勢(shì)，當(dāng)s=1.25mm左右時(shí)，短唇唇接觸壓力達(dá)到最大值，之后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)s的值大于2.25mm之后，模型不收斂。

圖4 內(nèi)外唇最大接觸壓力

當(dāng)流體壓力為3MPa，密封圈唇厚度e為2mm，摩擦系數(shù)f=0.2，唇高度差s取不同值時(shí)，Y密封圈兩邊唇的壓力分布圖如圖5所示。紅色區(qū)域?yàn)閴毫Υ笥?MPa的區(qū)域，即有效密封區(qū)域。

由圖5可看出，隨Y型密封圈唇高度差s變大，有效密封區(qū)域的長(zhǎng)度也在隨之變短,綜合兩圖分析可知當(dāng)s的值在0～1.25mm之間時(shí)，Y密封圈密封性能更好一些。

4.1.2 Y形密封圈應(yīng)力分析

當(dāng)摩擦系數(shù)取f=0.2，Y形密封圈唇高度差為1mm，密封圈唇厚度取2mm時(shí)，流體壓力P取分別取P=2MPa,P=4MPa,P=6MPa，此時(shí)密封圈應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖5 密封圈接觸壓力云圖

圖6 最大Von Mises分布情況

圖6可得，在不同流體壓力的情況下，Y型密封圈應(yīng)力集中部位都是在唇谷的位置，現(xiàn)對(duì)不同s值的Y形密封圈分別進(jìn)行分析，觀察其最大Von Mises應(yīng)力的變化情況并對(duì)其密封性能指數(shù)β進(jìn)行計(jì)算，變化情況如圖7、圖8所示。

圖7 最大Von Mises應(yīng)力隨壓力變化圖

這里有：

β=(pmax-p0)/p0

(6)

式中：β-密封性能指數(shù)；

pmax-密封圈最大接觸壓力，單位MPa；

p0-所施靜態(tài)油壓，單位MPa。

綜合圖7圖8分析可得，取不同s值時(shí)密封圈最大Von Mises應(yīng)力值如圖7所示?？梢灾溃畲骎on Mises應(yīng)力值隨靜態(tài)油壓的增大而增大，油壓較小時(shí)，五條曲線趨近重合，當(dāng)油壓逐漸增大時(shí)，隨s值變大，密封圈最大Von Mises應(yīng)力值有所減小。由圖8可得，隨著Y形密封圈油壓增大，密封性能指數(shù)β在逐漸減小，即密封圈的工作油壓有一個(gè)最合適的范圍，過(guò)高的油壓會(huì)使得密封圈的密封性能降低。

圖8 s不同時(shí)密封性能指數(shù)β

4.2 密封圈唇厚度e對(duì)密封圈密封性能的影響

當(dāng)Y形密封圈摩擦系數(shù)為0.2，唇高度差s為1mm摩擦系數(shù)f=0.2時(shí)，唇厚度分別取e=2mm，e=2.5mm和e=3mm，其最大接觸壓力隨油壓變化情況為圖9所示。

圖9 不同厚度時(shí)最大壓力變化曲線

最大接觸壓力隨油壓變大而變大，近似呈線性關(guān)系，當(dāng)唇厚度變大時(shí)，密封圈最大接觸壓力略有上升，但其變化并不明顯，在e=1.5mm時(shí)，模型不收斂。在該條件下對(duì)密封圈最大Von Mises應(yīng)力進(jìn)行分析，得到應(yīng)力隨油壓變化的圖，如圖10所示。

圖10 不同厚度時(shí)最大Von Mises應(yīng)力變化曲線

綜合可以看出隨著唇厚度e的增加，Y形密封圈最大Von Mises應(yīng)力在變大，密封圈容易出現(xiàn)松弛，使得密封圈壽命變短。

4.3 不同的摩擦系數(shù)對(duì)密封圈性能的影響

當(dāng)Y型密封圈唇高度差s為1mm，唇厚度e為2mm時(shí)，摩擦系數(shù)f取值分別為0.1、0.15、0.2，對(duì)其最大Von Mises應(yīng)力進(jìn)行分析，研究?jī)烧咧g的變化關(guān)系，變化曲線如圖11所示。

圖11 不同摩擦系數(shù)時(shí)最大Von Mises應(yīng)力變化曲線

由圖11可以看出，當(dāng)壓力P比較小時(shí)，不同摩擦系數(shù)對(duì)其最大Von Mises應(yīng)力的影響并不大，但隨著壓力P變大摩擦系數(shù)對(duì)最大Von Mises應(yīng)力的影響變大，且摩擦系數(shù)f越小，最大Von Mises應(yīng)力越小。

5 結(jié)論

1)當(dāng)Y形密封圈的唇高度差有所增加時(shí)，密封圈的最大接觸壓力會(huì)有所上升，當(dāng)s大于1.25mm時(shí)開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

2)隨著其s的值變小，Y型密封圈在接觸壓力有所上升的同時(shí)有效密封區(qū)域會(huì)隨之減小，該現(xiàn)象在油壓較大時(shí)更為突出，為此，密封圈s的取值在1～1.25mm時(shí)較為合適。

3)密封圈唇厚度過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致密封圈唇谷處應(yīng)力變大，降低密封圈的使用壽命。

4)若伺服缸的摩擦系數(shù)f變大，會(huì)導(dǎo)致最大Von Mises應(yīng)力相應(yīng)變大，即會(huì)使密封圈容易損壞，使密封圈的使用壽命變短。