賈春強(qiáng) 宗 理 何 彬 岳國棟

(沈陽建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧沈陽 110168)

由于液壓鑿巖機(jī)的特殊運(yùn)動形式，釬尾與注水套之間的Y形密封圈受到高頻沖擊和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的復(fù)合作用，并且因水介質(zhì)黏度較低難以形成穩(wěn)定的動壓潤滑膜，極易導(dǎo)致密封失效。因此有必要通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化來改進(jìn)Y形密封圈的密封性能。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對Y形密封圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為深入的研究。雷雨念等[1]運(yùn)用ANSYS分析了往復(fù)狀態(tài)下不同密封唇高度差對接觸應(yīng)力的影響。王國榮等[2]通過仿真分析了往復(fù)軸用Y形密封圈內(nèi)外唇的應(yīng)力分布和內(nèi)外行程的應(yīng)力變化。李斌等人[3]研究了靜密封下新型采油樹平板閘閥密封圈的唇邊鋸齒數(shù)量、唇邊夾角和唇谷夾角對密封性能的影響。張東葛等[4]利用ANSYS分析了Y形密封圈內(nèi)外行程上下唇最大接觸壓力隨油壓的變化規(guī)律。劉明等人[5]對Y形密封圈的主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析。劉洪宇等[6]基于正交試驗(yàn)法分析了往復(fù)活塞桿X形密封圈的結(jié)構(gòu)和安裝狀態(tài)參數(shù)對密封性能和可靠性的影響。高涵宇等[7]、崔成梁等[8]基于正交試驗(yàn)法，以峰值接觸應(yīng)力和線接觸壓力為密封的評價(jià)指標(biāo)，對旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的密封圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。迪力夏提·艾海提等[9]基于靈敏度分析了往復(fù)氣動密封Y形圈結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)對最大接觸和剪切應(yīng)力的影響。陳銀等人[10]基于正交試驗(yàn)法分析了8個(gè)結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)對泵送機(jī)械密封的影響。

上述研究主要針對單一旋轉(zhuǎn)、往復(fù)或靜密封狀態(tài)下的密封圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，而對旋轉(zhuǎn)和沖擊復(fù)合作用下的動密封結(jié)構(gòu)研究較少。本文作者綜合考慮旋轉(zhuǎn)和沖擊2種運(yùn)動形式對鑿巖機(jī)水封的影響，基于正交試驗(yàn)法研究Y形密封圈對鑿巖機(jī)水封性能的影響；建立以最大接觸應(yīng)力和最大von Mises應(yīng)力為指標(biāo)的密封性能評價(jià)方法，并對鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)的Y形密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，為鑿巖機(jī)水封的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供一定的參考。

1 有限元仿真模型建立

1.1 鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)

鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)由釬尾、注水套和2個(gè)Y形密封圈組成(見圖1)。鑿巖機(jī)在工作時(shí)會對釬尾施加沖擊和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以達(dá)到鑿巖的目的，而注水套和2個(gè)Y形密封圈則將內(nèi)部高壓水進(jìn)行密封，經(jīng)釬尾中心孔道注入鉆孔內(nèi)從而將巖石碎屑沖洗出來。

由于鑿巖機(jī)做周期性的沖擊和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此可將沖擊運(yùn)動簡化成簡諧運(yùn)動。取其一個(gè)周期進(jìn)行分析，可得釬尾的運(yùn)動方程為

(1)

式中：A為簡諧運(yùn)動振幅，mm；f為簡諧運(yùn)動頻率，Hz；t為簡諧運(yùn)動時(shí)間，s。

圖1 鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)Fig.1 Flushing mechanism of rock drill

1.2 幾何模型

以阿特拉斯公司生產(chǎn)的COP1025型鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)的Y形密封圈為研究對象，其工況參數(shù)為沖擊頻率50 Hz，旋轉(zhuǎn)速度350 r/min，沖洗水壓力3 MPa。其規(guī)格尺寸為Y40 mm×50 mm×6 mm，材料為耐水解聚氨酯的Y形密封圈，并對其進(jìn)行參數(shù)化建模，如圖2所示。其截面基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為：唇厚A=2 mm，倒角長度B=0.47 mm，唇長度C=2.3 mm，唇口深度D=1.95 mm，唇谷夾角E=50°，唇與釬尾夾角F=25°，根部倒角J=0.42 mm，高度H=6 mm，根部寬度I=4.4 mm。

圖2 Y形密封圈參數(shù)化模型Fig.2 Parametric model of Y-ring

由于建立全尺寸的仿真模型計(jì)算量較大，考慮到正交試驗(yàn)法的試驗(yàn)組數(shù)，提高仿真的效率，將仿真模型進(jìn)行簡化。如圖3所示，在密封圈上截取0.2 mm的薄片，將與之配合的釬尾也展開成一個(gè)平面。根據(jù)Y形密封圈的截面尺寸和相應(yīng)的溝槽尺寸建立幾何模型。利用Y形密封圈在X方向和Y方向上的運(yùn)動來模擬鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)的沖擊和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。有限元的網(wǎng)格劃分如圖3所示，單元類型選擇線性六面體C3D8R單元。

圖3 有限元分析模型Fig.3 Finite element analysis model

1.3 材料模型

聚氨酯的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為2個(gè)方面：不可壓縮性和超彈性，因此其力學(xué)模型表現(xiàn)為高度的材料非線性、幾何非線性和接觸非線性[11-12]。目前國內(nèi)外學(xué)者提出了很多本構(gòu)模型來表征聚氨酯的力學(xué)行為，在工程實(shí)際中最為廣泛應(yīng)用的為Mooney-Rivilin本構(gòu)模型[13]。其函數(shù)表達(dá)式為

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

(2)

式中：C10、C01為Mooney-Rivlin常數(shù)；I1、I2分別為第一、第二Green應(yīng)變不變量。

文中取聚氨酯的Mooney-Rivlin常數(shù)C10=1.87 MPa、C01=0.47 MPa，密度取值為1.2 g/cm3。

釬尾和注水套的材料均為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量210 GPa，泊松比為0.3，密度7.85 g/cm3。

由于聚氨酯材料的特殊屬性，文中對建立的有限元模型做出如下假設(shè)：

(1)聚氨酯具有確定的彈性模量和泊松比；

(2)密封圈受力關(guān)于釬尾中心對稱；

(3)忽略水介質(zhì)溫度的變化對密封圈的影響；

(4)聚氨酯的蠕變不引起體積的變化。

1.4 接觸條件

為了防止密封圈和釬尾在仿真計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的相互滲透而導(dǎo)致計(jì)算不收斂，仿真中對接觸問題采用Largrange法。由于水介質(zhì)黏度較低，使得密封圈和釬尾之間的潤滑膜很薄且不穩(wěn)定，因此摩擦因數(shù)設(shè)定為0.3。

1.5 邊界條件及分析步驟

根據(jù)鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和Y形密封圈的密封原理，將整個(gè)有限元分析過程分成3個(gè)步驟。第一步：對注水套施加徑向的位移，使Y形密封圈有0.8 mm的預(yù)壓縮量；第二步：對密封圈施加3 MPa的水壓，讓其處于高壓水密封狀態(tài)下；第三步：為了便于計(jì)算以沖擊速度峰值0.2 m/s和旋轉(zhuǎn)速度0.8 m/s讓釬尾沿X和Y方向移動，模擬鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動。

1.6 仿真模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，選取相關(guān)文獻(xiàn)[14]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并設(shè)置與其相同的參數(shù)，以密封圈的摩擦力作為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。密封圈的摩擦力計(jì)算公式為

(3)

式中：f為密封圈所受摩擦力；D為釬尾直徑；p(x)為x處的接觸應(yīng)力；μ(x)為x處的摩擦因數(shù)(均取0.3)；s為接觸路徑長度。

如圖4所示，文中仿真和文獻(xiàn)[14]實(shí)驗(yàn)得出的密封圈摩擦力隨速度的變化趨勢基本一致，且結(jié)果的差值也較小，因此可以認(rèn)定仿真計(jì)算的結(jié)果是可信的。

圖4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Fig.4 Comparison of simulation and experimental results

2 鑿巖機(jī)水封性能分析

利用ABAQUS對COP1025型鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)的Y形密封圈進(jìn)行仿真分析得出其von Mises應(yīng)力和接觸應(yīng)力分布，如圖5、6所示。

圖5 Von Mises應(yīng)力云圖Fig.5 Von Mises stress nephogram

圖6 接觸應(yīng)力云圖Fig.6 Cloud diagram of contact stress

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，用來對密封圈疲勞失效進(jìn)行評價(jià)[15]。von Mises應(yīng)力值越大的區(qū)域，材料越容易出現(xiàn)松弛和裂紋等密封失效情況，其壽命也就越短。如圖5所示，在鑿巖機(jī)旋轉(zhuǎn)沖擊的作用下，Y形密封圈的von Mises應(yīng)力集中部位主要在內(nèi)、外唇唇口和唇谷的位置上。這3個(gè)位置相應(yīng)地也越容易出現(xiàn)密封失效。

接觸應(yīng)力的大小則直接反映了密封圈的密封性能。理論上，只要最大接觸應(yīng)力大于水壓，則可實(shí)現(xiàn)沖洗機(jī)構(gòu)對高壓沖洗水的密封作用，且最大接觸應(yīng)力越大密封效果越好。但是接觸應(yīng)力太高，會導(dǎo)致摩擦力大，磨損加快，容易損壞密封件。對于鑿巖機(jī)水封這種運(yùn)動復(fù)雜且受到水介質(zhì)潤滑不足的影響，其磨損更是劇烈，因此接觸應(yīng)力不能過高。對于文中研究的Y形密封圈來說最大接觸應(yīng)力幾乎都大于介質(zhì)壓力，密封效果已足夠達(dá)到要求[15]，在此基礎(chǔ)上接觸應(yīng)力應(yīng)該盡量低。如圖6所示，接觸應(yīng)力主要集中在密封唇上，且最大接觸應(yīng)力在密封唇唇口位置。

3 基于正交試驗(yàn)法的Y形密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

Y形密封圈的截面形狀如圖2所示。根據(jù)前面對Y形密封圈接觸應(yīng)力分布和等效應(yīng)力分布的研究，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)時(shí)應(yīng)以與密封唇和唇谷相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為主。因此文中選取了與其相關(guān)的6個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以最大接觸應(yīng)力和最大von Mises應(yīng)力為指標(biāo)，對鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)的Y形密封圈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。確定截面幾何參數(shù)正交試驗(yàn)為6因子5水平試驗(yàn)[16]，6因子分別為唇厚、倒角長度、唇長度、唇口深度、唇谷夾角、唇與釬尾夾角，記為因子A、B、C、D、E、F。截面幾何參數(shù)正交試驗(yàn)的因子水平表如表1所示，選取標(biāo)準(zhǔn)正交表L25(56)進(jìn)行正交試驗(yàn)。根據(jù)正交設(shè)計(jì)方案計(jì)算得到的結(jié)果如表2所示。

表1 截面幾何參數(shù)正交試驗(yàn)因子水平Table 1 Orthogonal test factor level of section geometric parameters

表2 數(shù)值模擬結(jié)果Table 2 Numerical simulation results

3.2 Y形圈結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響

假設(shè)各因子相互獨(dú)立。根據(jù)L25(56)正交表的數(shù)值模擬結(jié)果，將每一因素各水平下的最大接觸應(yīng)力和最大von Mises應(yīng)力值進(jìn)行求和并取其平均值，由此繪出目標(biāo)參數(shù)和各個(gè)影響因素間的關(guān)系曲線圖。各個(gè)影響因素與最大接觸應(yīng)力和最大von Mises應(yīng)力的關(guān)系如圖7所示。

圖7 結(jié)構(gòu)參數(shù)對Y形圈最大接觸應(yīng)力和最大von Mises應(yīng)力的影響Fig.7 Influence of structural parameters on the maximum contact stress and the maximum von Mises stress of Y-ring

由圖7可知，對最大接觸應(yīng)力有顯著影響的因素是唇厚A、倒角長度B和唇長度C。如圖7(a)所示，Y形圈的最大接觸應(yīng)力隨著唇厚A的增加整體呈上升趨勢，而當(dāng)唇厚在2.2～2.4 mm之間時(shí)，唇厚對Y形圈的最大接觸應(yīng)力影響很小。如圖7(b)所示，Y形圈的最大接觸應(yīng)力隨倒角長度的增加先呈迅速上升趨勢，當(dāng)?shù)菇情L度在0.42～0.47 mm時(shí)增長趨勢減緩，隨后又呈迅速上升趨勢。Y形圈的最大接觸應(yīng)力隨著唇厚和倒角長度的增加而呈上升趨勢主要是因?yàn)椋篩形密封圈在密封時(shí)主要是通過密封唇與釬尾之間的接觸進(jìn)行密封，而唇厚和倒角長度的增加增大了密封唇的剛度，導(dǎo)致在相同的預(yù)壓縮量下Y形密封圈所受的接觸應(yīng)力會更大，應(yīng)力集中也會更明顯。對于唇長度則恰恰相反，增加密封唇的長度，會減小密封唇的剛度，使其所受到的接觸應(yīng)力更小，如圖7(c)所示。

對于最大von Mises應(yīng)力有顯著影響的因素是唇厚A、唇口深度D和唇與釬尾夾角F。如圖7(a)所示，最大von Mises應(yīng)力隨唇厚A的增大而呈下降趨勢且下降幅度較大。而對于唇口深度D和唇與釬尾夾角F最大von Mises應(yīng)力則隨其增長而呈上升趨勢，如圖7(d)、(f)所示。其中當(dāng)唇口深度D在1.95～2.05 mm時(shí)最大von Mises應(yīng)力會出現(xiàn)局部的下降。對于唇與釬尾夾角F，當(dāng)其值小于21°時(shí)對最大von Mises應(yīng)力影響較小，但當(dāng)其值大于21°最大von Mises應(yīng)力與唇與釬尾夾角F基本呈迅速上升趨勢。這是由于Y形圈密封唇唇與釬尾的夾角會直接影響密封圈與釬尾的接觸面積。夾角越大，密封圈與釬尾相接觸的面積越小，在工作壓力的作用下密封唇因擴(kuò)張而產(chǎn)生的過盈力較大，更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使密封圈容易產(chǎn)生松弛及裂紋等失效形式，影響密封圈的使用壽命。

4 Y形密封圈結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)

對于鑿巖機(jī)水封Y形密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)需要綜合考慮最大接觸應(yīng)力和最大von Mises應(yīng)力2個(gè)方面 。因此為了較快獲得優(yōu)化參數(shù)，通過極差分析來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

極差分析是通過對各因子極差大小來確定主次要因素并找出各因子的最優(yōu)水平，極差是各因子不同水平試驗(yàn)組合的平均值的最大值與最小值之差，代表該因子的影響大小，其公式為

Rj=max(ki)-min(ki)

(4)

式中：Rj為極差；ki為某因素某水平下試驗(yàn)指標(biāo)的平均值。

4.1 最大接觸應(yīng)力為指標(biāo)

以最大接觸應(yīng)力為指標(biāo)的極差分析結(jié)果如表3所示。對最大接觸應(yīng)力影響的因子的大小順序?yàn)锽、C、A、F、D、E，即倒角長度對Y形圈最大接觸應(yīng)力影響最大，唇長度和唇厚次之，唇與釬尾夾角、唇口深度和唇谷夾角較小，改進(jìn)方案為A1B1C4D3E1F2。

表3 最大接觸應(yīng)力指標(biāo)下分析結(jié)果Table 3 Analysis results under maximum contact stress target

4.2 最大von Mises應(yīng)力為指標(biāo)

以最大von Mises應(yīng)力為指標(biāo)的極差分析結(jié)果如表4所示。對最大von Mises應(yīng)力影響的因子大小順序?yàn)镕、D、A、C、B、E，即唇與釬尾夾角對最大von Mises應(yīng)力影響最大，唇口深度和唇厚次之，唇長度、倒角長度和唇谷夾角較小，改進(jìn)方案為A5B2C1D2E3F1。

表4 最大von Mises應(yīng)力指標(biāo)下分析結(jié)果Table 4 Analysis results under maximum von Mises stress target

4.3 綜合改進(jìn)方案

由于指標(biāo)參數(shù)的不同，導(dǎo)致二者的改進(jìn)方案相差較大。為了綜合考慮最大接觸應(yīng)力和最大von Mises應(yīng)力指標(biāo)下的極差分析結(jié)果，可通過極差占比進(jìn)行分析，即對不同因子極差占比的平均值進(jìn)行比較。如表5所示，綜合考慮2個(gè)指標(biāo)參數(shù)，因子影響的大小順序?yàn)锽、F、A、C、D、E，即倒角長度和唇與釬尾夾角對密封圈工作性能影響較大，唇厚、唇長度和唇口深度次之，唇谷夾角的影響最小。綜合優(yōu)化改進(jìn)方案為A5B1C4D2E3F1。

表5 極差占比分析Table 5 Analysis of range proportion

5 改進(jìn)方案驗(yàn)證

根據(jù)分析結(jié)果，綜合考慮各因素對接觸應(yīng)力和von Mises應(yīng)力的影響，初步設(shè)計(jì)一種新的Y形密封圈結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為A=2.4 mm，B=0.37 mm，C=2.5 mm，D=1.85 mm，E=54°，F(xiàn)=17°。為了確定此試驗(yàn)參數(shù)是否為較優(yōu)值，再次通過ABAQUS軟件對其進(jìn)行仿真分析，得到的最大接觸應(yīng)力為6.375 MPa,最大von Mises為4.127 MPa。優(yōu)化后，在相同的工況參數(shù)下，Y形密封圈的最大接觸應(yīng)力和最大von Mises應(yīng)力相較原始結(jié)構(gòu)分別下降了15%和45%，并且低于所有正交試驗(yàn)25個(gè)組合的最大接觸應(yīng)力和最大von Mises應(yīng)力，密封圈的性能大大提高，并且由于最大von Mises應(yīng)力降低幅度特別大，Y形密封圈的壽命也大大提高。

6 結(jié)論

(1)Y形密封圈的正交試驗(yàn)結(jié)果表明，對最大接觸應(yīng)力有顯著影響的是唇厚、倒角長度和唇長度，具體表現(xiàn)為最大接觸應(yīng)力隨唇厚和倒角長度的增加呈上升趨勢，隨唇長度的增加呈下降趨勢。對最大von Mises應(yīng)力有顯著影響的是唇厚、唇口深度和唇與釬尾夾角，具體表現(xiàn)為最大von Mises應(yīng)力隨唇口深度和唇與釬尾夾角的增加呈上升趨勢，隨唇厚的增加呈下降趨勢。

(2)極差分析表明，倒角長度和唇與釬尾夾角對密封圈工作性能影響較大，唇厚、唇長度和唇口深度次之，唇谷夾角的影響最小。

(3)對鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)的Y形密封圈結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)方案，在相同工況參數(shù)下Y形密封圈的最大接觸應(yīng)力和最大von Mises應(yīng)力分別下降了15%和45%。在保證密封效果的基礎(chǔ)上，最大接觸應(yīng)力的下降減少了Y形密封圈的磨損，而最大von Mises應(yīng)力的大幅下降，大大提高了Y形密封圈的壽命。