張毅，曹學鵬

(1.太原學院機電工程系，山西太原 030032；2.長安大學工程機械學院，陜西西安 710064)

0 前言

深海液壓缸是深海裝備主要的末端執(zhí)行裝置，在勘探、抓取等工作場景中應用廣泛[1]。深海環(huán)境最主要特點是環(huán)境壓力大，下潛深度增加100 m，環(huán)境壓力就增大1 MPa[2-4]?；钊麠UY形密封圈是阻隔油液泄漏、防止海水侵入液壓缸的關(guān)鍵零件[1]。為確保液壓缸在深海工作的可靠性，對活塞桿的Y形圈進行分析顯得尤為重要。

國內(nèi)外學者對深海密封用的O形密封圈研究較多。曹淑華、樊智敏、王啟林、劉鵬等人[5-8]對O形密封圈在深海高壓環(huán)境中的密封應力進行仿真，并分析了不同因素對密封應力的影響，探討了在深海環(huán)境中O形圈密封的性能。迪力夏提·艾海提、王琦等人[9-10]計算了Y形圈的變形、應力分布等，對Y形圈密封性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了研究。閆志剛[1]從提高可靠性的角度對深海液壓缸及密封結(jié)構(gòu)進行了耐環(huán)境設(shè)計和故障分析。

目前，對深海高壓環(huán)境中Y形圈往復動密封的研究較少。本文作者利用ANSYS 軟件對深海液壓缸活塞桿往復動密封進行仿真并分析深海環(huán)境壓力對各種密封應力的影響，為深海高壓環(huán)境中Y形圈的密封設(shè)計提供參考。

1 仿真建模

根據(jù)GB 10708.1—2000，以液壓缸活塞桿用Y形圈為例，活塞桿密封槽、Y形圈的型式、尺寸如圖1所示。其中，工作狀態(tài)下Y形圈的外徑D=50 mm、內(nèi)徑d=40 mm、溝槽長度h=6.3 mm，Y形圈安裝在溝槽內(nèi)，液壓缸活塞桿相對于Y形圈作往復運動[11]。

圖1 密封槽和Y形圈結(jié)構(gòu)

為提高計算效率，假設(shè)缸體、活塞桿、Y形圈完全軸對稱安裝，則有限元分析過程中可以將密封模型簡化為二維軸對稱模型，如圖2所示。

圖2 密封模型的有限元分析簡化模型

Y形圈材料為丁腈橡膠，在ANSYS中采用兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型來表征橡膠密封圈的超彈本構(gòu)關(guān)系。橡膠應變能勢函數(shù)[6-8]為

深海液壓缸活塞桿密封圈主要有安裝、活塞桿外伸和活塞桿收回3種工作狀態(tài)，ANSYS仿真分析過程中，施加4個載荷：

(1)安裝載荷：缸體固定，活塞桿下移壓縮Y形圈；

(2)環(huán)境載荷：垂直于Y形圈最外層輪廓由外向內(nèi)施加環(huán)境壓力載荷；

(3)活塞桿外伸載荷：活塞桿向右移動；

(4)活塞桿收回載荷：Y形圈左側(cè)施加液壓油壓力載荷，活塞桿向左移動。

液壓缸缸體和活塞桿材料為高性能耐腐蝕鋁合金，彈性模量遠大于橡膠的彈性模量，則仿真過程中缸體和活塞桿的變形可以忽略不計[12-16]。

2 仿真分析

根據(jù)Y形圈密封原理，密封性能主要通過Y形圈的von Mises應力以及Y形圈與活塞桿之間的接觸應力來判斷。Y形圈和缸體、活塞桿之間應具有一定的接觸長度且最大接觸應力要大于液壓油液壓力。von Mises應力可以反映Y形圈內(nèi)部應力分布情況，von Mises應力大的區(qū)域也是Y形圈最容易發(fā)生破壞和裂紋的區(qū)域。

2.1 安裝狀態(tài)密封分析

向Y形圈施加安裝載荷，模擬Y形圈的安裝狀態(tài)，接觸應力和von Mises應力分布如圖3所示?？芍喊惭b狀態(tài)下，Y形圈唇部被壓縮，唇部外側(cè)與缸體、活塞桿形成一定長度的接觸，唇部外側(cè)最外沿的接觸應力最大，唇部內(nèi)側(cè)底部von Mises應力最大，唇部外側(cè)與密封圈基座連接處von Mises應力也較大，這兩處是比較容易發(fā)生破壞的區(qū)域。

圖3 安裝狀態(tài)密封應力分布

壓縮率分別為15%、20%、25%時，安裝狀態(tài)下最大接觸應力pmax和最大von Mises應力σmax隨下潛深度h的變化如圖4所示?？芍喊惭b狀態(tài)下，隨著下潛深度的增大，最大von Mises應力基本不變，最大接觸應力增幅較大，壓縮率為25%時增幅約為31%，壓縮率為20%時增幅約為11%，壓縮率為15%時增幅約為6%；增大壓縮率，最大接觸應力減小、最大von Mises應力增大。

圖4 不同壓縮率下安裝狀態(tài)密封應力變化

2.2 活塞桿外伸狀態(tài)密封分析

向Y形圈施加安裝載荷、環(huán)境載荷、活塞桿外伸載荷，模擬活塞桿外伸狀態(tài)。接觸應力和von Mises應力分布如圖5所示?？芍?活塞桿外伸移動對Y形圈應力影響較大，Y形圈壓縮變形增大，唇部外側(cè)與缸體、活塞桿接觸長度增大，底部與密封槽側(cè)壁接觸應力增大，唇部內(nèi)側(cè)靠近底部區(qū)域von Mises應力最大，唇部內(nèi)側(cè)底部仍然是容易發(fā)生破壞的區(qū)域。

圖5 活塞桿外伸狀態(tài)密封應力分布

壓縮率分別為15%、20%、25%時，活塞桿外伸狀態(tài)時pmax和σmax隨深度的變化如圖6所示。可知：活塞桿外伸狀態(tài)下，隨著下潛深度的增大，最大von Mises應力略有增大，增幅低于3%；最大接觸應力變化幅度較大，壓縮率為15%時增幅約為37%，壓縮率為20%時增幅約為24%，壓縮率為25%時增幅約為10%；增大壓縮率，最大接觸應力減小、最大von Mises應力增大。

圖6 不同壓縮率下活塞桿外伸狀態(tài)密封應力變化

2.3 活塞桿收回狀態(tài)密封分析

向Y形圈施加安裝載荷、環(huán)境載荷、活塞桿收回載荷，油液壓力9 MPa，模擬活塞桿收回狀態(tài)。接觸應力和von Mises應力分布如圖7所示?？芍号c前2種工作狀態(tài)相比，Y形圈總體被進一步壓縮，Y形圈外側(cè)與缸體、活塞桿完全接觸，唇部、底部區(qū)域接觸應力較大；密封槽側(cè)壁下倒角處von Mises應力較大、上倒角處von Mises應力最大，活塞桿移動時容易發(fā)生咬傷。

圖7 活塞桿收回狀態(tài)密封應力分布

壓縮率分別為15%、20%、25%時，活塞桿收回狀態(tài)pmax和σmax隨深度的變化如圖8所示?？芍?活塞桿收回狀態(tài)下，隨著下潛深度的增大，最大von Mises應力和最大接觸應力略有變化，von Mises應力變化幅度小于6%，接觸應力變化幅度小于3%;增大壓縮率，最大von Mises應力和最大接觸應力均減小。不同壓縮率下最大接觸應力大于油液壓力，滿足密封要求。

圖8 不同壓縮率下活塞桿收回狀態(tài)密封應力變化

油液壓力分別為3、6、9 MPa時，活塞桿收回狀態(tài)pmax和σmax隨下潛深度的變化如圖9所示?？芍夯钊麠U收回狀態(tài)下，隨著下潛深度的增大，最大接觸應力基本保持不變，最大von Mises應力略有變化，變化幅度約為2%。增大油液壓力，最大von Mises應力和最大接觸應力均增大，最大接觸應力大于相應的液壓油壓力，滿足密封的要求。

圖9 不同油液壓力下活塞桿收回狀態(tài)密封應力變化

3 結(jié)論

(1)按照現(xiàn)有標準設(shè)計的液壓缸活塞桿Y形圈密封結(jié)構(gòu)能夠滿足深海高壓環(huán)境中的密封要求；

(2)由海面下潛至深海5 km的過程中，不同工作狀態(tài)下Y形圈最大von Mises應力基本不變；安裝狀態(tài)下最大接觸應力增大約6%～31%、活塞桿外伸狀態(tài)下最大接觸應力增幅在10%～37%、活塞桿收回狀態(tài)下最大接觸應力基本不變。

(3)安裝和活塞桿外伸狀態(tài)下，壓縮率增大時，最大接觸應力減小、最大von Mises應力增大；活塞桿收回狀態(tài)下，壓縮率增大時，最大von Mises應力和最大接觸應力均減??；油液壓力增大時，最大von Mises應力和最大接觸應力均增大。