基于正交法的鑿巖機(jī)水封Y形圈結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化*

賈春強(qiáng) 宗 理 何 彬 岳國(guó)棟

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

由于液壓鑿巖機(jī)的特殊運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)壓潤(rùn)滑膜，極易導(dǎo)致密封失效。因此有必要通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)改進(jìn)Y形密封圈的密封性能。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(duì)接觸應(yīng)力的影響。王國(guó)榮等[2]通過(guò)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(shù)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(duì)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(duì)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(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)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(dòng)密封Y形圈結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)對(duì)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(duì)泵送機(jī)械密封的影響。

上述研究主要針對(duì)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(duì)旋轉(zhuǎn)和沖擊復(fù)合作用下的動(dòng)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(dòng)形式對(duì)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(duì)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(píng)價(jià)方法，并對(duì)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(jiàn)圖1)。鑿巖機(jī)在工作時(shí)會(huì)對(duì)釬尾施加沖擊和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(lái)。

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

(1)

式中：A為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)振幅，mm；f為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)頻率，Hz；t為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)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(zhǎng)度B=0.47 mm，唇長(zhǎng)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(jiǎn)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(kāi)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(dòng)來(lái)模擬鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)的沖擊和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。有限元的網(wǎng)格劃分如圖3所示，單元類(lèi)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(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多本構(gòu)模型來(lái)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(duì)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(duì)稱(chēng)；

(3)忽略水介質(zhì)溫度的變化對(duì)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(duì)接觸問(wèn)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(rùn)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(guò)程分成3個(gè)步驟。第一步：對(duì)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(duì)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(dòng)，模擬鑿巖機(jī)沖洗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。

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(duì)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(zhǎng)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(shì)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(duì)比Fig.4 Comparison of simulation and experimental results

2 鑿巖機(jī)水封性能分析

利用ABAQUS對(duì)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(lái)對(duì)密封圈疲勞失效進(jìn)行評(píng)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(duì)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(huì)導(dǎo)致摩擦力大，磨損加快，容易損壞密封件。對(duì)于鑿巖機(jī)水封這種運(yùn)動(dòng)復(fù)雜且受到水介質(zhì)潤(rùn)滑不足的影響，其磨損更是劇烈，因此接觸應(yīng)力不能過(guò)高。對(duì)于文中研究的Y形密封圈來(lái)說(shuō)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(duì)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(duì)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(zhǎng)度、唇長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(duì)最大接觸應(yīng)力有顯著影響的因素是唇厚A、倒角長(zhǎng)度B和唇長(zhǎng)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(shì)，而當(dāng)唇厚在2.2～2.4 mm之間時(shí)，唇厚對(duì)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(zhǎng)度的增加先呈迅速上升趨勢(shì)，當(dāng)?shù)菇情L(zhǎng)度在0.42～0.47 mm時(shí)增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩，隨后又呈迅速上升趨勢(shì)。Y形圈的最大接觸應(yīng)力隨著唇厚和倒角長(zhǎng)度的增加而呈上升趨勢(shì)主要是因?yàn)椋篩形密封圈在密封時(shí)主要是通過(guò)密封唇與釬尾之間的接觸進(jìn)行密封，而唇厚和倒角長(zhǎng)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(huì)更大，應(yīng)力集中也會(huì)更明顯。對(duì)于唇長(zhǎng)度則恰恰相反，增加密封唇的長(zhǎng)度，會(huì)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(duì)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(shì)且下降幅度較大。而對(duì)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(zhǎng)而呈上升趨勢(shì)，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(huì)出現(xiàn)局部的下降。對(duì)于唇與釬尾夾角F，當(dāng)其值小于21°時(shí)對(duì)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(shì)。這是由于Y形圈密封唇唇與釬尾的夾角會(huì)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(guò)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(duì)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(guò)極差分析來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

極差分析是通過(guò)對(duì)各因子極差大小來(lái)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(duì)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(zhǎng)度對(duì)Y形圈最大接觸應(yīng)力影響最大，唇長(zhǎng)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(duì)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(duì)最大von Mises應(yīng)力影響最大，唇口深度和唇厚次之，唇長(zhǎng)度、倒角長(zhǎng)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(guò)極差占比進(jìn)行分析，即對(duì)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(zhǎng)度和唇與釬尾夾角對(duì)密封圈工作性能影響較大，唇厚、唇長(zhǎng)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(duì)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(guò)ABAQUS軟件對(duì)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(duì)最大接觸應(yīng)力有顯著影響的是唇厚、倒角長(zhǎng)度和唇長(zhǎng)度，具體表現(xiàn)為最大接觸應(yīng)力隨唇厚和倒角長(zhǎng)度的增加呈上升趨勢(shì)，隨唇長(zhǎng)度的增加呈下降趨勢(shì)。對(duì)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(shì)，隨唇厚的增加呈下降趨勢(shì)。

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

(3)對(duì)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。