純水介質(zhì)液壓支架蕾形組合密封的性能分析

周新建，位凱濤，李 治，丁林海

(1.西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710054；2.西安重裝銅川煤礦機(jī)械有限公司，陜西銅川 727031)

引言

液壓支架是煤炭開采過程中重要的支護(hù)設(shè)備，而目前液壓支架以乳化液為工作介質(zhì)，對(duì)于乳化液而言不但成本高，泄漏也會(huì)污染環(huán)境。鑒于此，西安科技大學(xué)與西安重裝銅川煤機(jī)廠合作，進(jìn)行以純水為傳動(dòng)介質(zhì)的液壓支架相關(guān)技術(shù)研究。純水介質(zhì)液壓技術(shù)的應(yīng)用，節(jié)約了工作介質(zhì)使用成本，杜絕了泄漏對(duì)工作環(huán)境的污染，起到了節(jié)能、清潔、環(huán)保綠色開采的效果。密封件是液壓支架關(guān)鍵核心組件，其性能對(duì)液壓支架正常工作起至關(guān)重要作用。蕾形密封是液壓支架常用的一種密封形式，現(xiàn)有密封結(jié)構(gòu)主要適用于液壓油和乳化液的工作介質(zhì)，而設(shè)計(jì)用純水介質(zhì)的蕾形密封結(jié)構(gòu)很少見。本研究以純水介質(zhì)液壓支架活塞桿密封的蕾形密封組合為例，設(shè)計(jì)一種新型蕾形組合密封結(jié)構(gòu)，采用有限元仿真分析軟件建模，分析直徑間隙和液壓支架工作壓力對(duì)其密封性能的影響[1]。

1 模型結(jié)構(gòu)的理論分析

1.1 蕾形組合結(jié)構(gòu)分析

蕾形組合密封圈是活塞桿密封的常見形式之一，用于液壓支架活塞桿與導(dǎo)向套之間的密封[2]，其組合結(jié)構(gòu)由3個(gè)元件構(gòu)成，分別為聚氨酯密封體、橡膠彈性體，以及聚甲醛支撐環(huán)，如圖1所示為蕾形密封組合結(jié)構(gòu)示意圖。

1.支撐環(huán) 2.密封體 3.彈性體圖1 蕾形密封組合結(jié)構(gòu)示意圖

純水與液壓油或者是乳化液相比其性能方面有很大差異，包括其自身的一些物理特性，比如：潤(rùn)滑性、黏度以及導(dǎo)電性，而在相同的溫度下純水的運(yùn)動(dòng)黏度為液壓油黏度的1/40～1/30，因而在同等泄漏間隙下為液壓油泄漏的30～40倍[3]。因此，現(xiàn)有適用于乳化液的蕾形密封結(jié)構(gòu)不完全適用于純水液壓支架的密封，研究純水液壓支架的蕾形組合密封顯得十分重要。

1.2 模型計(jì)算理論分析

以ZY12000-22-45D型號(hào)液壓支架為例，其中缸直徑400 mm，進(jìn)油量為400 L/min，最大承受壓力為31.5 MPa，根據(jù)公式:

(1)

式中，v—— 活塞桿移動(dòng)速度

Q—— 進(jìn)油量

D—— 中缸直徑

代入以上數(shù)據(jù)得：v=0.212 m/s。

根據(jù)HERMANN Schlichting教授給出的邊界層厚度估算公式為：

(2)

式中，μ—— 流體運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)

l—— 流體流過固體表面長(zhǎng)度

υ—— 流體流動(dòng)的速度

ZY12000-22-45D型號(hào)液壓支架，其活塞桿運(yùn)動(dòng)速度為0.212 m/s，密封界面長(zhǎng)度為20 mm,在20 ℃時(shí)水的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)1.0067×10-6m2/s，即密封界面的邊界厚度為1.54 mm。

通過估算，液壓支架密封桿的邊界層厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其密封間隙的高度，因此可以用邊界層理論來(lái)討論液壓支架活塞桿密封界面流體密封問題。

由于能用邊界層理論來(lái)進(jìn)行分析，根據(jù)雷諾數(shù)Re判斷流體狀態(tài)，雷諾數(shù)的公式為：

(3)

已知活塞桿運(yùn)動(dòng)速度v為0.212 m/s，特征長(zhǎng)度d為2h，h指密封間隙的高度，其通常為μm級(jí)，假設(shè)其密封間隙高度為10 μm，則其密封界面的雷諾數(shù)為：

根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在狹窄的空間中流體極端條件從層流向紊流過度的最小雷諾數(shù)為500，因此液壓支架的流動(dòng)狀態(tài)為層流狀態(tài)[4-5]。

2 建立分析模型

2.1 蕾形組合密封模型的建立

根據(jù)以上計(jì)算，如圖1所示蕾形組合密封件的結(jié)構(gòu)、載荷以及約束都是關(guān)于活塞桿中心對(duì)稱，所以可以將三維模型轉(zhuǎn)化為二維模型進(jìn)行分析，既蕾形組合密封件模型只選取其密封件和溝槽的截面進(jìn)行分析[6-9]。該模型分為5個(gè)部分，如圖2所示，密封組合為耐水解自潤(rùn)滑性較好的密封材料[10]。蕾形密封組合模型如圖2所示，其中λ表示直徑間隙。

1.支撐環(huán) 2.密封體 3.內(nèi)環(huán)體 4.彈性體 5.外環(huán)體圖2 蕾形密封組合模型圖

2.2 蕾形組合密封模型網(wǎng)格劃分

模型建立后，根據(jù)蕾形組合密封性能及結(jié)構(gòu)和液壓支架承重載荷及密封性能以及材料的非線性化等特點(diǎn)，對(duì)簡(jiǎn)化的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分的同時(shí)分別把內(nèi)環(huán)體3和外環(huán)體5的屬性設(shè)置為hard,把密封體2和彈性體4的屬性設(shè)置為soft,而在密封體與內(nèi)外環(huán)體以及橡膠體接觸的地方的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2，通過網(wǎng)格劃分共有4312個(gè)節(jié)點(diǎn)，4118個(gè)網(wǎng)格元素，如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分模型圖

3 蕾形密封組合性能分析

純水介質(zhì)液壓支架是以純水為傳動(dòng)介質(zhì)的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，所以本研究分析的蕾形密封組合材料必須是是耐水解而且自潤(rùn)滑性較好的材料，即支撐環(huán)和密封體均為耐水解且自潤(rùn)滑性較好的聚甲醛材料和聚氨酯材料，而彈性體則為橡膠材料。建立添加材料屬性，如表1、表2為密封體和彈性體的材料參數(shù)，而內(nèi)環(huán)體和外環(huán)體為剛體，在材料庫(kù)中默認(rèn)為“structural steel”。模型和材料以及網(wǎng)格劃分完成以后，根據(jù)液壓支架實(shí)際工況進(jìn)行模擬分析，由于密封效果主要取決于組合密封體和內(nèi)外環(huán)體的接觸應(yīng)力[11-12]，故主要分析組合密封圈的接觸應(yīng)力，由于支撐環(huán)對(duì)接觸應(yīng)力的影響較小，故可以將支撐環(huán)在模型中省略，以便簡(jiǎn)化模型。

表1 橡膠材料參數(shù) MPa

表2 聚氨酯材料參數(shù) MPa

通過實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，液壓支架的空載啟動(dòng)壓力為2 MPa，而普遍液壓支架的滿載載荷為31.5 MPa，所以組合密封體一定要滿足液壓支架的空載和滿載。既本研究通過直徑間隙λ的值分別為0.40, 0.55, 0.75 mm，來(lái)模擬分析液壓支架承重載荷為2.0, 21.5, 31.5, 41.5 MPa密封組合的密封特性。

3.1 直徑間隙為0.4 mm，不同載荷密封特性分析

本研究設(shè)定，當(dāng)密封體2與內(nèi)環(huán)體3接觸時(shí)其直徑間隙為0.75 mm，而當(dāng)直徑間隙為0.40 mm時(shí)，其密封體2和彈性體4處于壓縮狀態(tài)。分析表明：當(dāng)空載啟動(dòng)壓力為2 MPa時(shí)，其最大Von Mises應(yīng)力為19.973 MPa，當(dāng)載荷為21.5, 31.5, 41.5 MPa時(shí)，其最大Von Mises應(yīng)力為53.44, 71.893, 76.321 MPa，其應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖4所示。

圖4 直徑間隙為0.40 mm應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

3.2 直徑間隙為0.55 mm，不同載荷密封特性分析

當(dāng)直徑間隙為0.55 mm，此時(shí)密封體2和彈性體4也處于壓縮狀態(tài)，其在不同載荷下，最大接觸應(yīng)力值與直徑間隙為0.40 mm時(shí)的最大應(yīng)力值相差不大，既當(dāng)載荷為2.0, 21.5, 31.5, 41.5 MPa時(shí)，最大Von Mises應(yīng)力為18.919, 49.974, 68.747, 73.592 MPa，其應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖5所示。

圖5 直徑間隙為0.55 mm應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

3.3 直徑間隙為0.75 mm，不同載荷密封特性分析

當(dāng)直徑間隙為0.75 mm，彈性體2和彈性體4處于自然狀態(tài)，此時(shí)密封體2與內(nèi)環(huán)體3接觸，但是密封體2并無(wú)壓縮，其在不同載荷下，最大接觸應(yīng)力值與直徑間隙為0.40 mm和0.55 mm時(shí)的最大接觸應(yīng)力值有一些差別，造成此差別原因是由于此時(shí)密封體處于無(wú)壓縮狀態(tài)，即當(dāng)載荷為2.0, 21.5, 31.5, 41.5 MPa時(shí)，各個(gè)最大Von Mises應(yīng)力為6.0862, 34.496, 56.67, 59.296 MPa，其應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示。

圖6 直徑間隙為0.75 mm應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

3.4 結(jié)果分析

根據(jù)圖4～圖6應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D可知，當(dāng)直徑間隙在0.40，0.55，0.75 mm時(shí)，載荷壓力為2.0，21.5，31.5，41.5 MPa時(shí)，其最大接觸應(yīng)力受力點(diǎn)基本都是在密封體2與內(nèi)環(huán)體3和外環(huán)體5相接觸的位置。其對(duì)應(yīng)的最大Von Mises應(yīng)力如表3所示。

表3 不同水壓、不同直徑間隙條件下最大Von Mises應(yīng)力數(shù)值 MPa

據(jù)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，液壓支架的空載啟動(dòng)壓力為2.0 MPa，在空載啟動(dòng)時(shí)最容易發(fā)生泄漏，特別是針對(duì)純水介質(zhì)的液壓支架，因?yàn)榧兯酿ざ冗h(yuǎn)遠(yuǎn)低于液壓油的黏度，但是根據(jù)表3可知，此種新型密封結(jié)構(gòu)的直徑間隙為0.40, 0.55, 0.75 mm時(shí)其不同的載荷下，最大接觸應(yīng)力遠(yuǎn)高于施加的載荷壓力，此時(shí)密封性能處于良好狀態(tài)。

當(dāng)直徑間隙為0.75 mm，此時(shí)密封體2和彈性體4與內(nèi)環(huán)體處于自然狀態(tài)，并無(wú)壓縮，即直載荷壓力在2.0, 21.5, 31.5, 41.5 MPa時(shí)其對(duì)應(yīng)的最大接觸應(yīng)力與直徑間隙為0.40 mm和0.55 mm時(shí)對(duì)應(yīng)相同的載荷時(shí)的最大接觸應(yīng)力相比較遠(yuǎn)低于其對(duì)應(yīng)的最大接觸應(yīng)力，密封效果明顯低于直徑間隙為0.40 mm和0.55 mm的密封效果。

而當(dāng)直徑間隙為0.40 mm時(shí)，不同載荷下對(duì)應(yīng)的最大接觸應(yīng)力，比直徑間隙為0.75 mm不同載荷對(duì)應(yīng)的最大接觸應(yīng)力明顯偏高，但對(duì)于直徑間隙為0.55 mm 時(shí)不同載荷對(duì)應(yīng)的最大接觸應(yīng)力相差不大，密封性能也相差不大。但是直徑間隙為0.40 mm，載荷為41.5 MPa時(shí)，其最大Von Mises應(yīng)力在76.321 MPa，如圖4d所示，密封體2與彈性體4發(fā)生略微變形，在直徑間隙為0.75 mm和0.55 mm時(shí)，在同樣的載荷情況下，如圖5d、圖6d所示，密封體2和彈性體4相對(duì)直徑間隙為0.40 mm時(shí)，其并未發(fā)現(xiàn)明顯的變形。

4 結(jié)論

本研究采用新型蕾形組合密封結(jié)構(gòu)，通過對(duì)純水介質(zhì)液壓支架的不同直徑間隙和不同載荷下的密封問題進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)純水介質(zhì)液壓支架空載啟動(dòng)壓力為2.0 MPa時(shí)，此新型密封結(jié)構(gòu)滿足密封要求，并且有良好的密封性能;

(2) 在不同直徑間隙下，隨著載荷的不斷增加，其最大接觸應(yīng)力在不斷增加，而最大接觸應(yīng)力的應(yīng)力點(diǎn)在密封體2與內(nèi)環(huán)體3和外環(huán)體5相接觸的位置，且此新型蕾形密封結(jié)構(gòu)都具有良好的密封性能;

(3) 直徑間隙在0.40～0.75 mm時(shí)，純水介質(zhì)液壓支架蕾形密封組合最佳的密封間隙在0.55 mm，此時(shí)的密封性能比直徑間隙在0.40 mm是密封性能好，而和直徑間隙在0.75 mm時(shí)的密封性能幾乎一樣。

純水介質(zhì)液壓支架是將來(lái)液壓支架發(fā)展的一個(gè)方向，而本研究結(jié)果可為設(shè)計(jì)密封的工程技術(shù)人員提供參考。