寬溫域下電靜液作動器的液壓缸活塞格萊圈動密封性能分析

韓小霞， 馮永保， 謝 建， 魏小玲， 李 良

(火箭軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈工程學(xué)院， 陜西 西安 710025)

引言

電靜液作動器(Electro-hydrostatic Actuators，EHA)是典型的高度集成化和小型化電液控制系統(tǒng)， 其在減小體積和重量的同時，減小了散熱面積，大大降低了自身散熱能力，使得一部分熱量滯留在EHA的密閉腔體內(nèi)，從而導(dǎo)致EHA系統(tǒng)的油溫快速上升[1-3]，影響運行安全。在實際應(yīng)用中，EHA系統(tǒng)中液壓油液的溫度變化尤其明顯，使得其主要部件液壓缸的活塞密封結(jié)構(gòu)的泄漏流量和啟動摩擦力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致EHA系統(tǒng)表現(xiàn)出變死區(qū)特性。

液壓缸活塞密封件一般選用填料組合式動密封，即格萊圈密封。格萊圈是O形圈與方形圈的組合密封形式，方形圈材料為聚四氟乙烯，更加耐磨，與金屬之間的摩擦力更低，方形圈彌補了O形圈不耐磨且摩擦力大的缺點，而橡膠O形圈具有高彈性，可自補償方形圈的磨損[4]。密封件失效是高壓高溫電液控制系統(tǒng)產(chǎn)生故障的主要原因之一。在高溫下密封件發(fā)生熱膨脹，壓縮應(yīng)力顯著提高，長時間暴露在高溫之下，密封件發(fā)生永久變形，當(dāng)溫度保持不變時，密封件仍可起到密封作用，但當(dāng)溫度降低時，密封件很快收縮，脫離密封表面，產(chǎn)生泄漏，從而造成液壓缸有效輸出流量死區(qū)，影響EHA的控制性能。因此，研究寬溫域下液壓缸活塞格萊圈動密封性能對EHA的高精度控制具有實際意義。

針對填料密封圈已有不少研究，主要包括密封性能分析和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。其中，針對O形密封圈的研究較多[5-11]：文獻[5]分析了原油高溫?zé)岵晒ぞ逴形橡膠圈在高溫高壓下的密封性能，研究表明，當(dāng)溫度升高時O形圈最大接觸應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力均相應(yīng)減小，而最大Von Mises應(yīng)力明顯減小；文獻[6]為了定量計算高精度電液伺服馬達的內(nèi)泄漏，提出了一種基于有限元的油膜控制方程數(shù)值解法，并分析了O形圈預(yù)壓縮量、介質(zhì)壓力、油溫等參數(shù)對泄漏量和摩擦力的影響，研究結(jié)果表明，長時間高頻工作狀態(tài)下，電液伺服馬達的泄漏量和摩擦力會隨著溫度的升高而降低，但密封的磨損量將會增加；文獻[7]針對液壓缸活塞桿O形圈密封結(jié)構(gòu)，研究了摩擦熱對O形圈密封性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)密封接觸面發(fā)熱嚴(yán)重時，密封圈變軟，密封間隙無法自補償，使得油液泄漏量增加，密封性能下降。

文獻[12]針對航空液壓作動器中組合密封件，分析了不同壓合量、溫度和油壓對泄漏量和摩擦力的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度升高時，泄漏量減小，但摩擦力增大；通過改變方形圈結(jié)構(gòu)減小了泄漏量；文獻[13]研究了格萊圈在不同O形圈壓縮量和材料硬度、方形圈厚度下的動密封性能，并基于響應(yīng)曲面法，以最大接觸壓力和最小啟動摩擦力為優(yōu)化目標(biāo)，對格萊圈的密封參數(shù)進行了優(yōu)化；文獻[14]分析了組合密封件在偏置狀態(tài)下的密封性能變化規(guī)律。綜上分析，雖然已有大量關(guān)于格萊圈(組合密封圈)的研究，但對寬溫域下液壓缸活塞格萊圈密封性能研究較少。

本研究通過數(shù)值分析不同介質(zhì)壓力和溫度時液壓缸活塞格萊圈性能，獲得密封接觸面上的接觸壓力，利用逆解一維雷諾方程獲得密封面間的油膜厚度，建立考慮油液黏溫特性時最大啟動壓力和泄漏流量的數(shù)學(xué)模型，分析活塞單行程運行過程中最大啟動壓力和泄漏流量隨介質(zhì)壓力和溫度的變化規(guī)律，為EHA的液壓缸活塞格萊圈的設(shè)計和選型提供參考。

1 模型建立

1.1 幾何模型建立

圖1所示為EHA組成及其液壓缸活塞用格萊圈密封的幾何模型。安裝時的預(yù)壓縮量決定著泄漏流量和啟動壓力的大小，密封結(jié)構(gòu)及格萊圈參數(shù)如表1所示。

圖1 液壓缸活塞格萊圈密封結(jié)構(gòu)幾何模型

表1 幾何模型參數(shù)

1.2 有限元計算模型

采用ABAQUS軟件建立圖1所示格萊圈的二維軸對稱有限元模型。其中O形圈材料是硬度為邵氏70°的丁腈橡膠，方形圈材料為聚四氟乙烯(PTFE)。O形圈與密封面觸處的摩擦系數(shù)為0.25，丁腈橡膠的熱膨脹系數(shù)設(shè)為175×10-6℃-1，聚四氟乙烯的熱膨脹系數(shù)設(shè)為11.4×10-5℃-1。

橡膠屬于超彈性材料，本研究分析中采用的橡膠模型是Mooney-Rivlin模型，應(yīng)變能函數(shù)為：

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

(1)

式中，W—— 應(yīng)變能密度

C10,C01—— 材料Mooney常數(shù)

I1,I2—— 第一、第二應(yīng)變張量不變量

2 液壓缸活塞密封結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

2.1 最大啟動壓力模型

EHA工作過程中，液壓缸的啟動壓力主要源自密封件和配合面之間相對運動產(chǎn)生的摩擦力。該啟動壓力既給液壓缸帶來好處也產(chǎn)生危害。好處在于啟動壓力的存在形成液相薄膜，出現(xiàn)流體潤滑現(xiàn)象；且在帶有負(fù)載的情況下EHA運行更加平穩(wěn)。危害是啟動壓力使密封件磨損破壞而縮短其使用壽命，并且摩擦生熱使油液黏度降低從而導(dǎo)致泄漏量增大。

設(shè)摩擦系數(shù)為f，滑動潤滑密封面上剪切應(yīng)力為τ，由活塞格萊圈密封結(jié)構(gòu)所引起的啟動摩擦力F可表示為：

(2)

式中，D—— 液壓缸缸體內(nèi)徑

L—— 密封接觸面寬度

活塞壁面剪切應(yīng)力為[15]：

(3)

式中， dp/dx—— 液相薄膜間的壓力梯度

h—— 密封面間液膜厚度

把式(3)代入式(2)可得：

(4)

設(shè)最大啟動壓力為pm，則pm為：

(5)

式中，A—— 液壓缸加載腔活塞有效作用面積

從式(5)可以看出，活塞密封結(jié)構(gòu)的啟動壓力大小與密封接觸面寬度、加載腔活塞有效作用面積、缸體內(nèi)徑、活塞運動速度和液相薄膜壓力分布有關(guān)，而密封面間的液相薄膜壓力分布梯度與液壓缸活塞密封結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。

由于液壓油液黏度μ值的大小隨油液壓力和溫度的變化而變化，根據(jù)文獻[16]，溫度對μ的影響較大，且隨著溫度的升高，μ值減小。當(dāng)忽略壓力對油液的黏度μ的影響時，可得：

μ=μ0e-α(T-T0)

(6)

式中,μ0—— 油液在1個大氣壓、T0溫度下的動力黏度，Pa·s，T0取20 ℃

α—— 油液黏溫系數(shù)

T—— 油液溫度，℃

將式(6)代入式(5)可得：

(7)

2.2 往復(fù)密封泄漏流量模型

液壓缸活塞密封結(jié)構(gòu)相對缸筒做往復(fù)運動，在密封面之間形成了一層薄薄的液相薄油膜。這層液相薄膜的形態(tài)直接影響液壓缸活塞密封結(jié)構(gòu)的密封性能。在恒定流情況下，設(shè)活塞沿x軸方向相對缸筒以速度u運動，密封面間液膜厚度可以采用一維穩(wěn)態(tài)條件下的雷諾方程來求解：

(8)

式中，p—— 液膜壓力(密封面間接觸壓力)

h—— 液膜厚度

ho—— ?p/?x=0時的液膜厚度

μ—— 油液黏度

u—— 活塞運動速度

從式(8)可以看出，密封面間流體形成動力潤滑的條件是液膜必須呈收斂的楔形，即液膜厚度h沿x方向呈收斂的楔形變化。當(dāng)h為常數(shù)，則右邊為0，無法建立流體動壓力。此外，密封面間必須存在相對運動，且油液必須有一定的黏度。

(9)

(10)

(11)

此時的內(nèi)泄漏量為活塞伸出時黏附在活塞上的油流量。假設(shè)活塞直徑為D，外行程時液壓缸活塞密封結(jié)構(gòu)的內(nèi)泄漏量計算如下：

(12)

式中，D—— 活塞直徑

L—— 活塞桿行程

uo—— 活塞桿伸出時的速度

(13)

在dp/dx=0處，也就是最大壓力點處， 液相薄膜的流動速度分布從ui線性減小到0。在界面外的油壓側(cè)，液相薄膜具有勻速ui。 因此，其液相薄膜的高度hi為hi*的1/2，計算公式如下：

(14)

此時的內(nèi)泄漏量為活塞縮回時黏附在活塞上的油流量。內(nèi)行程時內(nèi)泄漏量計算如下：

(15)

因此液壓缸往復(fù)運動一次時的凈內(nèi)泄漏量為：

(16)

將式(6)代入式(16)可得:

Q=Qo-Qi

(17)

式(15)表明，密封面間液相薄膜壓力分布與液壓缸活塞密封單行程內(nèi)泄漏量之間為反比關(guān)系。在活塞直徑、活塞行程和速度已知的條件下，只要能夠得到dp/dx大小，即可得到液壓缸活塞密封結(jié)構(gòu)的內(nèi)泄漏量大小，本研究借助ABAQUS軟件求取接觸壓力p的曲線，從而得到dp/dx的最大值。

3 計算結(jié)果分析

有限元幾何模型的參數(shù)如表1所示，外形程和內(nèi)行程速度均為1 m/s，環(huán)境溫度變化范圍為 (-20～100 ℃)，環(huán)境溫度為20 ℃ 時油液黏度μ=0.07048 Pa·s，行程長度為30 mm，分別在介質(zhì)壓力為1， 7， 16 MPa時分析EHA活塞密封性能。

3.1 格萊圈內(nèi)部Von Mises應(yīng)力和接觸壓力

不同介質(zhì)壓力和環(huán)境參數(shù)下，對密封圈的性能要求不同。在密封圈材料和安裝參數(shù)不變的情況下，當(dāng)活塞行程為30 mm，活塞的運動速度為1 m/s時分別分析低(1 MPa)、 中(7 MPa)和高(16 MPa)介質(zhì)壓力下，格萊圈內(nèi)部Von Mises應(yīng)力和接觸壓力在寬溫域(-20～80 ℃)內(nèi)隨溫度的變化規(guī)律。

如圖2～圖4所示，為低、中和高壓時，不同溫度下格萊圈內(nèi)部Von Mises應(yīng)力τv分布云圖，圖5為不同介質(zhì)壓力下最大Von Mises應(yīng)力隨溫度變化的曲線。從圖2可以看出，低介質(zhì)壓力下，溫度為-20 ℃時，最大Von Mises應(yīng)力主要集中在方形圈內(nèi)部，O形圈中心區(qū)域的Von Mises 應(yīng)力較大；可明顯看出低溫下橡膠密封圈的可壓縮性變差；隨著溫度的升高，O形圈的變形量增大，O形圈和方形圈內(nèi)部區(qū)域最大Von Mises 應(yīng)力也逐漸增大，方形圈內(nèi)部Von Mises應(yīng)力集中更明顯，分布更均勻。從圖3和圖4可以看出，在中高介質(zhì)壓力下，隨著溫度的升高，格萊圈內(nèi)部的Von Mises應(yīng)力逐漸增大，最大Von Mises應(yīng)力位于方形圈，在靠近介質(zhì)一側(cè)和密封間隙處出現(xiàn)Von Mises應(yīng)力集中。從圖5可以看出，不論低、中和高介質(zhì)壓力下，隨著溫度的升高，密封圈最大Von Mises應(yīng)力增大；低壓下，Von Mises應(yīng)力隨溫度升高而增大的更為明顯。

圖2 介質(zhì)壓力1 MPa時，不同溫度下格萊圈內(nèi)部Von Mises應(yīng)力云圖

圖3 介質(zhì)壓力7 MPa時，不同溫度下格萊圈內(nèi)部Von Mises應(yīng)力云圖

圖4 介質(zhì)壓力16 MPa時，不同溫度下格萊圈內(nèi)部Von Mises應(yīng)力云圖

圖5 不同介質(zhì)壓力下格萊圈內(nèi)部最大Von Mises應(yīng)力

綜上分析，低壓下，O形圈出現(xiàn)了Von Mises 應(yīng)力集中；中高壓力下，最大Von Mises應(yīng)力集中于方形圈?？偟膩碚f，溫度的升高增加了格萊圈失效的風(fēng)險。

如圖6所示為不同介質(zhì)壓力下，液壓缸活塞格萊圈密封的密封面間接觸壓力隨溫度的變化曲線，表2為不同介質(zhì)壓力和溫度下最大接觸壓力值。從圖6和表2可以看出，低介質(zhì)壓力下，隨著密封圈溫度的升高，接觸壓力明顯增大，溫度為-20 ℃時的最大接觸壓力大于1 MPa， 溫度為80 ℃時的最大接觸壓力約為-20 ℃時的3倍左右，幾種不同溫度工況下格萊圈可以起到密封作用。介質(zhì)壓力為7 MPa，溫度從-20 ℃逐漸增大時，密封面間的接觸壓力也逐漸增大，但不及低介質(zhì)壓力下增加幅值大，溫度為80 ℃時的最大接觸壓力約為-20 ℃的1.3倍左右，幾種不同溫度工況下的最大接觸壓力均大于7 MPa，格萊圈可以起到密封作用。高介質(zhì)壓力16 MPa下，溫度為-20 ℃時，密封面間的最大接觸壓力小于介質(zhì)壓力，此時格萊圈密封失效；在溫度逐漸升高時，密封面間的接觸壓力也逐漸增大，0 ℃時最大接觸壓力大于介質(zhì)壓力，即溫度大于0 ℃時格萊圈可以起到密封作用。通過以上分析可以看出，隨著介質(zhì)壓力的升高，密封圈密封有效的溫度范圍變小，即低中介質(zhì)壓力下，液壓缸活塞密封有效的溫域更寬；高介質(zhì)壓力下，0 ℃以下的低溫域工況對液壓缸活塞橡膠密封的要求更高。

圖6 不同介質(zhì)壓力和溫度下密封面間最大接觸壓力

表2 不同介質(zhì)壓力和溫度下最大接觸壓力

3.2 最大啟動壓力和泄漏流量變化規(guī)律分析

基于3.1節(jié)中利用ABAQUS軟件求出的接觸壓力曲線，即可求得(dp/dx)max的變化規(guī)律如表3所示。

使用HLM46號抗磨液壓油，油液溫度為20 ℃時，μo=0.07048 Pa·s，黏溫系數(shù)α取1/23，方形圈與液壓缸筒內(nèi)壁的摩擦系數(shù)取0.03。根據(jù)表1所示幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和表3所示(dp/dx)max值，從而得到介質(zhì)壓力1, 7, 16 MPa時，單行程泄漏流量大小變化規(guī)律如表4和圖7所示，最大啟動壓力變化規(guī)律如表5和圖8所示。

表3 不同介質(zhì)壓力和溫度下最大接觸壓力梯度(dp/dx)max

從表4和圖7可以看出，由于橡膠材料的熱脹冷縮現(xiàn)象，不論低中高介質(zhì)壓力下，單個行程的泄漏流量均隨溫度的升高而減小；相同溫度下，隨著介質(zhì)壓力的升高，泄漏流量逐漸減小。從表5和圖8可以看出，同一介質(zhì)壓力下，隨著溫度的升高，液壓缸活塞最大啟動壓力pm逐漸減小；相同溫度下，隨著介質(zhì)壓力的升高，pm逐漸增大。當(dāng)介質(zhì)壓力相同時，溫度每增加20 ℃，泄漏流量減小量不低于25%，最大啟動壓力減小量不低于15%。

圖8 不同介質(zhì)壓力下，啟動壓力隨溫度變化曲線

表5 不同介質(zhì)壓力和溫度下最大啟動壓力

圖7 不同介質(zhì)壓力下，單行程泄漏流量隨溫度變化曲線

表4 不同介質(zhì)壓力和溫度下單行程泄漏流量

綜上分析可知，當(dāng)液壓缸密封結(jié)構(gòu)的參數(shù)不變，相同溫度工況下，密封結(jié)構(gòu)的泄漏流量與活塞最大啟動壓力大小呈負(fù)相關(guān)，符合實際應(yīng)用；相同介質(zhì)壓力工況下，密封結(jié)構(gòu)的泄漏流量與活塞最大啟動壓力均呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢，這與丁腈橡膠材料的熱脹冷縮和易變形的特性有關(guān)。值得注意的是，液壓缸活塞往復(fù)運行過程中，溫度的適當(dāng)升高有利于提高活塞密封結(jié)構(gòu)的密封性能，但當(dāng)溫度超過80 ℃時，O形圈發(fā)生永久變形和老化的風(fēng)險會大大增加，并且高溫下橡膠密封圈變得更軟，在液壓缸活塞往復(fù)動密封中容易發(fā)生沿周向的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這都將大大縮短液壓缸活塞密封的使用壽命，從而增加了液壓缸使用的故障率。

4 結(jié)論

(1) 不論低、中和高介質(zhì)壓力下，溫度適當(dāng)升高有利于降低最大啟動壓力和泄漏流量，然而增加了格萊圈失效的風(fēng)險；

(2) 隨著介質(zhì)壓力的升高，密封圈密封有效的溫度范圍變小，即低中介質(zhì)壓力下，活塞密封有效的溫域更寬；高介質(zhì)壓力下，0 ℃以下的低溫域工況對EHA活塞橡膠密封件的品質(zhì)要求更高；

(3) EHA活塞格萊圈密封結(jié)構(gòu)的泄漏流量隨溫度升高而減小，隨介質(zhì)壓力升高而增大；最大啟動壓力隨溫度升高而降低，隨介質(zhì)壓力升高而增大。過高的溫度將增加格萊圈中O形圈永久變形的風(fēng)險和老化程度，且在液壓缸活塞往復(fù)動密封中容易發(fā)生沿周向的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，將大大縮短液壓缸活塞密封的使用壽命，增加了EHA使用的故障率。