CDC-16搗固裝置翻轉(zhuǎn)油缸O形圈選型優(yōu)化

劉勇濤 劉梅芳 張 磊

(常州市瑞泰工程機械有限公司 江蘇 常州 213011)

CDC-16搗固裝置以其獨特的“分片式搗鎬”的結(jié)構(gòu)特點，用于對復(fù)雜的道岔線路進行搗固作業(yè)，以提高道床石砟的密實度，增加軌道的穩(wěn)定性。翻轉(zhuǎn)油缸部件作為CDC-16搗固裝置的重要組成部件，用于控制內(nèi)、外鎬臂的翻轉(zhuǎn)。在翻轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動下，內(nèi)、外鎬臂可向內(nèi)最大15°偏轉(zhuǎn)，向外最大85°偏轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)道岔狹窄區(qū)域的搗固作業(yè)。一旦翻轉(zhuǎn)油缸發(fā)生漏油，將會影響內(nèi)外鎬臂的正常翻轉(zhuǎn)，甚至會影響CDC-16搗固裝置的正常工作。

翻轉(zhuǎn)油缸部件的靜密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，油缸缸體與油缸導(dǎo)套之間通過O形圈進行密封。翻轉(zhuǎn)油缸的工作壓力為12 MPa，因此O形圈需要承受12 MPa的工作壓力而不出現(xiàn)泄漏，并且需要具有良好的耐久性。此處的O形圈密封選型的基本要求為既要使得O形圈具有較好的密封性能，防止出現(xiàn)密封件損傷現(xiàn)象，同時也要使得O形圈內(nèi)應(yīng)力較小，具有較好的全壽命使用特性。

1—油缸導(dǎo)套；2—O形圈；3—油缸缸體。圖1 翻轉(zhuǎn)油缸部件靜密封結(jié)構(gòu)圖

1 O形圈選型方案制定

在原始的翻轉(zhuǎn)油缸O形圈選型設(shè)計中，選用截面直徑為?2.62 mm的O形圈，并且未安裝擋圈。O形圈截面直徑的選擇需要與油缸缸徑大小相適應(yīng)，考慮到油缸缸體直徑為?54 mm，可采用截面直徑為?3.55 mm的O形圈。翻轉(zhuǎn)油缸的工作壓力為12 MPa，通常對于工作壓力超過10 MPa的液壓系統(tǒng)，可考慮安裝擋圈。

綜上，采用以下4種密封方案進行優(yōu)選分析：(1)采用截面直徑為?2.62 mm的O形圈，不加擋圈；(2)采用截面直徑為?2.62 mm的O形圈，加擋圈，規(guī)格為?54 mm×?49.8 mm×1.4 mm(內(nèi)徑×外徑×寬度)；(3)采用截面直徑為?3.55 mm的O形圈，不加擋圈；(4)采用截面直徑為?3.55 mm的O形圈，加擋圈，規(guī)格為?54 mm×?48.6 mm×1.4 mm，圖2～圖5為4種密封方式示意圖。O形圈的徑向初始壓縮率決定了O形圈的初始密封能力，同時，適當?shù)膲嚎s量是O形圈全壽命使用的保證，壓縮率過小會引起油缸漏油，過大的壓縮率會引起O形圈應(yīng)力松弛。用于靜密封的O形圈壓縮率范圍為15%～25%[1-2]，在此范圍內(nèi)，可以保證O形圈具有較好的密封能力與較長的使用壽命。根據(jù)O形圈與溝槽尺寸設(shè)計要求，?2.62 mm的O形圈的預(yù)壓縮率設(shè)定為18%，?3.55 mm的O形圈的預(yù)壓縮率設(shè)定為22%。

圖2 方案1 圖3 方案2 圖4 方案3圖5 方案4

2 有限元模型建立

建立丁晴橡膠O形圈有限元仿真模型，將整個有限元模型簡化為二維軸對稱模型。油缸缸體與導(dǎo)套的彈性模量遠遠大于O形圈，因此將油缸缸體與導(dǎo)套密封部分設(shè)置為解析缸體。導(dǎo)套上密封槽槽底圓角半徑與槽棱圓角半徑大小影響O形圈的受力情況，為了避免其對4種方案的O形圈受力分析的影響，在4種方案中均將導(dǎo)套上的密封槽槽底圓角半徑設(shè)定為0.5 mm，槽棱圓角半徑設(shè)定為0.3 mm。

橡膠材料是一種超彈性材料，應(yīng)力-應(yīng)變行為具有高度的非線性。采用五常數(shù)的二階多項式超彈性本構(gòu)模型來模擬丁晴橡膠的超彈性特性，具體參數(shù)如下：C10，1.255；C20，-1.679；C01，-0.779；C11，2.935；C02，-0.744[3]。擋圈材料為聚四氟乙烯(PTFE)，彈性模量為960 MPa，泊松比為0.45。

丁晴橡膠O形圈仿真模型中設(shè)置2個載荷步：載荷步1給密封面施加一個與其垂直的位移邊界條件，模擬O形圈的預(yù)壓縮過程；載荷步2在O形圈的壓力側(cè)施加12 MPa的工作壓力載荷，模擬O形圈在使用過程中受到流體壓力的過程。

在無擋圈模型中，共有2個接觸對：O形圈與溝槽接觸，O形圈與密封面接觸，將摩擦因數(shù)設(shè)定為0.225。在帶擋圈模型中，共有5個接觸對：O形圈與溝槽接觸、O形圈與密封面接觸、O形圈與擋圈接觸、擋圈與溝槽接觸、擋圈與密封面接觸，由于擋圈材料的摩擦因數(shù)極小，擋圈與其他零件的接觸面摩擦因數(shù)均設(shè)置為0。

3 靜密封仿真結(jié)果分析

3.1 內(nèi)應(yīng)力分析

在12 MPa的工作壓力下，?2.62 mm、?3.55 mm兩種O形圈不帶擋圈情況下的內(nèi)應(yīng)力分布情況云圖如圖6、圖7所示。在未安裝帶擋圈的情況下，?2.62 mm、?3.55 mm兩種O形圈均在與溝槽槽棱圓弧角接觸處出現(xiàn)明顯的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，?2.62 mm的O形圈最大應(yīng)力達到13.94 MPa，存在剪切破壞失效的風險。兩種模型中都出現(xiàn)了O形圈擠入溝槽槽頂圓弧處的裝配間隙的現(xiàn)象，?2.62 mm、?3.55 mm兩種O形圈的擠入長度d1、d2分別為0.098 mm、0.087 mm，如圖8、圖9所示，?2.62 mm的O形圈雖然直徑更小，但是間隙擠傷現(xiàn)象更為嚴重。

圖6 ?2.62 mm的O形圈 圖7 ?3.55 mm的O形圈

圖8 ?2.62 mm的O形圈 圖9 ?3.55 mm的O形圈間隙擠傷 間隙擠傷

在安裝擋圈情況下，?2.62 mm、?3.55 mm兩種O形圈的應(yīng)力分布如圖10、圖11所示，兩種O形圈內(nèi)應(yīng)力分布較為對稱，并且應(yīng)力集中現(xiàn)象得到顯著改善。兩種O形圈應(yīng)力的較大值出現(xiàn)在O形圈與溝槽面、O形圈與密封面接觸處。由于存在擋圈的保護，避免了O形圈發(fā)生間隙擠傷的現(xiàn)象。安裝擋圈與未安裝擋圈情況下兩種規(guī)格的O形圈最大應(yīng)力如表1所示，可以看出，安裝擋圈后O形圈的內(nèi)應(yīng)力出現(xiàn)了顯著下降，并且?3.55 mm的O形圈安裝擋圈的密封形式的內(nèi)應(yīng)力小于?2.62 mm的O形圈安裝擋圈的密封形式。

3.2 接觸壓力分析

預(yù)壓縮力與系統(tǒng)壓力共同作用下產(chǎn)生的密封力的大小決定了O形圈的密封能力。當O形圈與溝槽底部、密封面的接觸壓力大于系統(tǒng)壓力，O形圈實現(xiàn)自密封功能，并且密封力越大，O形圈密封效果越顯著。O形圈與上密封面和溝槽底部接觸壓力分布如圖12所示，呈拋物線形式。

表1 4種方案內(nèi)應(yīng)力最大值

圖12 O形圈上下表面接觸壓力示意圖

4種密封方案的接觸壓力如表2所示，O形圈與上密封面、溝槽底部的最大接觸壓力都超過了12 MPa的工作壓力，均能實現(xiàn)油缸密封功能。對比各方案O形圈上密封面與溝槽底部接觸壓力，兩者差別不大。?2.62 mm與?3.55 mm規(guī)格的O形圈，各自在相同的壓縮率、相同系統(tǒng)壓力作用下，是否安裝擋圈對其接觸壓力的影響不大。由于?3.55 mm規(guī)格的O形圈有著更大的初始壓縮率，與?2.62 mm規(guī)格的O形圈相比，?3.55 mm規(guī)格O形圈有著更大的接觸壓力，密封性能也更加優(yōu)異。

表2 4種方案接觸壓力 /MPa

4 結(jié)論

采用有限元分析軟件對CDC-16搗固裝置翻轉(zhuǎn)油缸靜密封方案進行對比優(yōu)化選型分析。對比了?2.62 mm與?3.55 mm兩種規(guī)格的O形圈，在安裝與不安裝擋圈的情況下，內(nèi)應(yīng)力分布情況、擠壓變形情況以及接觸應(yīng)力分布情況，為CDC-16搗固裝置翻轉(zhuǎn)油缸選擇合適的靜密封方案提供了依據(jù)。

原始的翻轉(zhuǎn)油缸O形圈選型設(shè)計中，采用了?2.62 mm的O形圈不安裝擋圈的方案(方案1)，在12 MPa的工作壓力下，容易造成O形圈出現(xiàn)較為嚴重的間隙擠傷現(xiàn)象與局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且O形圈最大應(yīng)力達到13.94 MPa，存在剪切破壞失效的風險。

通過選型優(yōu)化分析，CDC-16搗固裝置翻轉(zhuǎn)油缸靜密封采用?3.55 mm規(guī)格的O形圈配合擋圈使用的密封方案(方案4)，可以使O形圈有較小的內(nèi)應(yīng)力，減少了O形圈應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免了出現(xiàn)間隙擠傷現(xiàn)象，同時O形圈與上密封面、溝槽底部的接觸壓力相對較大，密封效果較好。