基于鋼廠舉升液壓缸密封圈的有限元分析

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(內(nèi)蒙古科技大學 機械工程學院， 內(nèi)蒙古 包頭　014010)

引言

無縫鋼管廠在鋼管舉升液壓缸工作過程中，活塞頻繁做往復運動，其上密封圈起封閉和保壓的作用。若密封圈失效會導致液壓油泄漏，使工作壓力降低而出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，嚴重時可能導致不必要的生命財產(chǎn)損失，圖1顯示為失效的密封圈。

圖1　舉升液壓缸的失效密封圈

針對密封圈的失效現(xiàn)象，一些學者也做了探索，如張東葛等人[1]采用變參數(shù)法對Y形密封圈做了變形和受力分析，且對密封圈進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以延長密封圈的使用壽命；譚晶等人[2]利用Ansys有限元軟件同樣采用變參數(shù)法研究了O形密封圈的使用性能；于潤生等人[3]應用超彈性理論和非線性理論，對復雜截面的YX形密封圈做了有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。以上研究大都基于靜態(tài)密封情況，在前人研究的基礎(chǔ)上,本研究使用ANSYS12.0有限元軟件實際模擬舉升液壓缸往復運動，分析了密封圈的變形和應力分布，對其他往復運動密封圈的研究具有參考價值。

1　密封圈幾何模型

本研究的對象為舉升液壓缸上作往復運動的密封圈，建立模型涉及到的溝槽及Y形密封圈尺寸、公差根據(jù)GB/T 10708.1-2000標準[4]選擇，選擇密封圈型號為Y56419.5 6271GB/T 10708.1-2000，具體尺寸及溝槽尺寸如圖2、圖3所示。

圖2　密封圈尺寸

圖3　溝槽及裝配尺寸

2　密封圈的有限元模型

由于液壓缸、活塞以及密封圈均為軸對稱元件，所以建立有限元模型時使用平面模型結(jié)構(gòu)模擬三維實體模型，這樣不僅可以節(jié)省建模時間，而且裝配簡單，便于整體分析；

2.1　單元模型

本研究的密封圈和缸體活塞均采用實體單元模型PLANE182，接觸單元模型在創(chuàng)建接觸對時ANSYS自動生成單元模型，目標單元TARGE169，接觸單元CONTA172。

2.2　材料模型

對往復運動密封圈做研究涉及到兩種材料，鋼與橡膠材料，鋼材料的各參數(shù)可以查閱機械設(shè)計手冊的45#鋼，橡膠材料的各個參數(shù)一般需要使用測量的方法獲得，而本研究由于實驗條件的限制，只能近似參考已有的數(shù)據(jù)。該模型需要定義材料的彈性模量、泊松比、密度等材料特性，如表1所示。

表1　材料特性

另外橡膠密封圈材料可以近似抽象為小變形的超彈性材料(即不可壓縮)，應力應變表現(xiàn)強烈的非線性，所以需要定義該材料模型的應變能密度函數(shù)，本研究選取兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型來模擬橡膠密封材料，其應變能密度函數(shù)可以表示為下式[5]：

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

式中：I1，I2，為應變不變量，C01,C10為Mooney-Rivlin常數(shù)，取C10=2.31，C01=0.58；

2.3　網(wǎng)格模型

網(wǎng)格劃分[6]是有限元法的關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣直接影響ANSYS有限元計算結(jié)果的精確度，本研究剛體活塞網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.001，密封圈尺寸設(shè)置為0.0005，網(wǎng)格擴展模型如圖4所示。

圖4　網(wǎng)格模型

3　施加載荷及求解分析

3.1　施加載荷

本研究模擬實際舉升液壓缸工況，對密封圈施加三個載荷步：載荷步一，給缸體施加一個沿x軸負向的位移載荷來模擬Y形密封圈安裝在活塞缸體上時產(chǎn)生預壓縮；載荷步二，給活塞和密封圈一個沿y軸負向的位移載荷來模擬往復運動速度；載荷步三，給活塞和密封圈一個沿y軸正向的位移載荷來模擬往復運動速度；

3.2　施加約束

給活塞施加約束載荷UX=0，缸體施加約束載荷UY=0。

4　結(jié)果分析

在工作壓力為15 MPa，往復運動速度為0.5 m/s，順行程和逆行程[7]的變形和等效應力如圖5、圖6所示。

圖5　順行程等效應力圖

圖6　逆行程等效應力圖

由圖5、圖6可以看出，密封圈往復運動順行程中最大等效應力為27.725 MPa，逆行程中最大等效應力為32.711 MPa，逆行程的等效應力值大于順行程，即逆行程對密封圈的損壞比順行程的更大，而且最大應力值均出現(xiàn)在密封圈唇部，這與實際密封圈損壞的部位相一致，從而證明了有限元法對橡膠密封圈研究的可行性，以及密封圈失效的本質(zhì)是持續(xù)的交變應力使橡膠材料產(chǎn)生疲勞。

設(shè)法延長密封圈實際使用壽命，提高密封圈的密封性能是研究者和使用者切實所關(guān)心的問題，也具有實際的意義，要延長密封圈的使用壽命和密封性能，需研究它的影響因素，如往復速度、工作壓力、密封間隙、圓角半徑等，本研究不再做敘述，參考前人研究成果[1，4]。

5　結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于仿真分析結(jié)果，本研究發(fā)現(xiàn)，較高的應力集中在密封圈的唇部，故而對其做了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的幾何示意圖如圖7所示。

圖7　Y形密封圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化

不改變其他尺寸，對密封圈唇部倒圓角，從理論上可以減小密封唇的應力集中現(xiàn)象，并且密封圈在與缸體的點面接觸時，圓弧接觸比角點接觸的磨損更小，變形小，從而可以延長密封圈的使用壽命。優(yōu)化以后的仿真結(jié)果如圖8、圖9所示。

從上述ANSYS仿真結(jié)果可以看出結(jié)構(gòu)優(yōu)化以后，最大等效應力極值在順逆行程中均有所降低，而且在密封圈往復運動順逆行程產(chǎn)生的應力差值縮小，交變應力的跨度減小，對密封的損壞減輕，所以對密封圈的唇部進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有一定的實際意義。

圖8　優(yōu)化后順行程等效應力圖

圖9　優(yōu)化后逆行程等效應力圖

6　結(jié)論

(1) 往復運動最大等效應力值出現(xiàn)在密封圈的唇部，從而證明密封圈失效的薄弱區(qū)域在接觸唇部；

(2) 逆行程最大應力比順行程要大，所以逆行程對密封圈的損壞程度比順行程更嚴重；

(3) 對比仿真結(jié)果與實際密封圈的失效形式相一致，進而確定有限元法對橡膠密封圈研究的可行性；

(4) 對密封圈唇部做圓角優(yōu)化，能夠降低其等效應力，以及順逆行程中最大等效應力差，減小磨損，延長密封圈的使用壽命。

參考文獻：

[1]張東葛,張付英,王世強.基于Ansys的Y形密封圈結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計[J]. 潤滑與密封,2012,37(11),87-90.

[2]譚晶，楊衛(wèi)民，丁玉梅，等.O形橡膠密封圈密封性能的有限元分析[J].潤滑與密封，2006,181(9):65-69.

[3]于潤生，楊秀萍.YX形液壓密封圈的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].潤滑與密封，2011,36(7):66-69.

[4]張紹九，等.液壓密封[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012:1-303.

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