液压往复密封泄漏量的有限元分析.pdf

2 0 1 1 年 4月 第 3 9卷 第 8 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 1 Vo l _ 3 9 No ． 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 8 ． 0 1 4 液压往复密封泄漏量的有限元分析 郑辉 ，张付英 天津科技 大学机械工程 学院，天津 3 0 0 2 2 2 摘要利用大型有限元软件 A N S Y S建立了 O形密封圈的轴对称有限元模型，分析其动态密封能力 ，得到主密封面接 触应力的分布规律；讨论不同的压缩率、材料摩擦因数以及工作压力对其动态密封能力的影响。结果表明随着压缩率的 增加 ，泄漏量相应减少 ；选择合适的材料可以有效减少泄漏量；在低压工作时，动态密封的泄漏量随工作压力的增加呈现 出先增大后减小且趋于一常数的趋势。 关键词动态密封 ；泄漏量 ；有限元 ；O形圈 中图分类号T Q 3 3 6 ． 4 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 8 0 5 8 4 Fi ni t e El e me nt Ana l y s i s o f Le a k a g e f o r Hy d r a u l i c Re c i pr o c a t i n g Se a l ZHENG Hu i ． ZHANG Fu y i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，T i a n j i n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，T i a n j i n 3 0 0 2 2 2 ，C h i n a Ab s t r a c t AN S Y S w a s u t i l i z e d t o e s t a b l i s h a n a x i s y mme t r i c al F E M mo d e l o f O-- s e a l i n g r i n g t o a n a l y z e i t s d y n a mi c s e a l i n g f u n e -． t i o n ． T h e d i s t ri b u t i o n r u l e s o f c o n t a c t s t r e s s o f ma i n s e a l i n g S U 血 c e s w e r e o b t a i n e d ． Th e e f f e c t s o f c o mp r e s s i o n r a t i o． f ric t i o n c o e m ． c i e n t an d w o r k i n g p r e s s u r e o n t h e d y n a mi c s e a l i n g f u n c t i o n w e r e s t u d i e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e l e a k a g e r e d u c e s w i t h t h e i n c r e a s e o f c o mp r e s s i o n r a t i o；s u i t a b l e ma t e ria l c a n d e c r e a s e t h e l e a k a g e e f f e c t i v e l y；w h e n w o r k i n g u n d e r l o we r p r e s s u r e ， t h e l e a k ag e o f d y n a mi c s e a l i n g h a s t h e t e n d e n c y t o i n c r e ase fi r s t ，d e c r e as e l a t e r ，a n d t h e n g o t o a c o n s t a n t ． Ke ywor ds Dy na mi c s e a l i n g； Le a k a g e； Fi ni t e e l e me n t me t ho d； O s e a l i n g r i n g 往 复活塞杆密 封是液 压设备 中最关 键元 件之一 ， 泄漏 的密封 可导致运行 问题 和环 境污染 。而往 复活塞 杆 的动态密封机理 与静态 时 的密封 机理有 很 大区别 ， 即使静态条件下完美的密封在活塞杆做往复运动时也 会产生较大 的泄漏 。到 目前为止 ，国内外学者对密封 系统 的研究 主要集 中在密封 圈的静态分析 ，很少涉及 密封件 的动 态密封 能力研 究 。作者 借助 A N S Y S有 限 元软件对 O形 圈进 行建 模 和分析 ，揭 示密 封 安装 条 件、密封材料以及工作因素等对密封件动态密封能力 的影响 ，为密封件的设计和优化提供 了新的途径 。 1 液压活塞杆动态密封的有限元模型 1 ． 1 轴对称有限元模型的建立 作者遵 循众多学者对 橡胶体进行 分析 时所做 的 若 干假设 ，且往 复活 塞 杆 、缸 体 和 O 形 橡 胶 密封 圈在结构上是 轴对称 的 ，因此 ，可 以把液 压往 复运动密封件 的研究 由三 维问题等效成二维 问题 。 ■ 曩 曩 面 图 1 有限元模型 图 图 1 是液压活塞杆动态密封 的有限元模型 图。 O 形 密 封 圈 的 尺 寸 为 4 , 4 0 i n l n 3 ． 5 5 m l n G B 3 4 5 2 ． 1 - 9 2 ，活塞杆行程为 5 m lT I 局部分 析取小 行程 。缸体沟槽宽度为4 ． 8 0 m l n ，缸体沟槽深度 2 ． 7 0 F f u n ，活塞 杆 以 等 速 1 m ／ s作 往 复 运 动 ，油 液 黏 度 0 ． 0 6 1 2 P a S ，且仅分析密封件低压时的工作情况 。 利用 A N S Y S进行网格划分时 ，将活塞杆和缸体 简化 为刚性件 ，弹性 模 量为 21 0 MP a ，泊 松 比取 0 ． 3 ，采用二维实体单元 P L A N F A 2 ；O形圈的弹性模 型量 为 2 ． 8 2 M P a ，泊松 比为 0 ． 4 9 9 5 ，采用 4节点 的 超弹单元 P L A N E 1 8 2 ，使用 M o o n e y ． R i v l i n应变能函数 描述 ，其 中 C 0 1 ． 8 7 M P a ，C o 0 ． 4 7 MP a 。用面 面接 触单 元 C O N T A 1 7 2和 T A R G E 1 6 9模 拟 O形 圈和 活塞杆及缸体 的接触 。 活塞杆往 复运 动 的 密封 状 态分 3种 非 工作 状 态 、静压工作状态 、往复工作状态 。这 3种密封状态 在 A N S Y S下的数值仿真可分为 4个载荷步实 现 1 O形圈装到活塞杆 上后 ，自然产 生的压缩预 紧 ； 2 向 O形 圈施加油 压 ，活塞杆 静止 ； 3 活 塞杆外 行 程过程 ； 4 活塞 杆 内行程 过程 。至此 ，密 封完成 一 个 工作循 环。 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 0 8 基金项 目国家 自然科学基金 5 1 0 7 5 3 0 0 ；天津 自然科 学基 金 0 9 J C Y B J C 0 5 4 0 0 作者简介郑辉 1 9 7 8 一 ，女，博士，副教授，研究 方 向为可持续设 计、密封设计。电话1 3 8 2 0 4 1 5 6 9 7 ，Em a i l t j z h e n g h u i s i n a ． c o m。 第 8期 郑辉 等液压往复密封泄漏量的有限元分析 5 9 1 ． 2 计 算结 果 V o n Mi s e s 应力分布情况 。 图 2显示 了不 同加 载 阶段 0形 圈 的整 体变 形 及 f a 非工 作状 态 b 静 压 工 作状 态 c 外行 程 d 内行 程 图 2 0形 圈变形及 V o n M i s e s 应力 可看 出 0形 圈处于非工作状态 即安装状态 图 2 a 时 ，密 封 圈发 生 弹 性变 形 ；施加 油 压 后 ，0 形 圈在压力作用下 向右移动并与缸体侧壁接触 ，形成 静密封 图 2 b ；当 活塞 杆 往 复移 动 时 ，形 成 动 密封 图 2 c 、 d 。在各种 载荷 步下 ，最 大 V o n M i s e s 主要集中于密封圈与活塞杆或缸体的接触处。 2 液压活塞杆动态密封泄漏量的计算 液压活 塞杆外 行程时 ，密封应从活塞杆表 面刮除 大多数液压 流体 ，但 总有 一很 薄的液膜粘在滑动表 面 并被拖过 密封 和 活塞杆 之 间 的界 面 ，形 成 “ 密 封 间 隙” 。 图 3 为往复式密封问隙及压力梯度示意图。图中 各符 号意义 如下 V 。 、 。 分别 为活塞 杆 内 、外 行程 时 的速度 ； p i 、 分别为内、外行程时内部液体压力 ； h 为可变膜 的高度 ； P 为液 膜 中的可变压力 ；田 为 间隙内的流体 黏度 ；h 。 、 分别 为 内 、外行 程最 大压力处 的膜高 。 图 3 a 示 出 了液 压活 塞杆 外行 程 中的情 形 ，活 塞杆外伸时的密封间隙可根据准一维流体的雷诺方程 p L 一 j 。f 。 a 外 行程 时 活塞 杆 ． b 内行程 时 图 3 往 复式 密封间隙及压力梯 度 1 求出 业 d x一 6 T ／ V o 一 0 1 记 d p ／ d x达 到最 大 时膜 高 为 h 点 A位置 ，见 图 3 a ，将 式 1 对 h求 导 并令 其 为 零 ，可 得 ， 将此式代人式 1 得 2 6 O 机床与液压 第 3 9卷 记活塞杆直径为 d ，则 黏附在外行程 活塞杆上 的 液体体积 流率为 ／ o 砒 V o ／ 2 ，将式 2 代人 得 盯幽 。 ／ ．T [g o 3 图 3 b 示 出 了液压 活塞杆 内行程 中的情 形 ，同 理 ，内行程带回的液体量取决于大气侧转折点 E的最 大压力梯度 ，此时最大可追踪膜厚 由式 4 得 出 i √ 吾 4 若活塞杆以等速作往复运动，活塞杆行程为 日， 一 个周期 t 内包括外行程 t ／ 2和 内行程 ／ 2 ，外行程液 体向外泄漏，流率为 ；内行程油液被带入 ，带入 的流率为 ，则一个周期内密封的净泄漏量为 √ 一 √ 5 由此可见 ，在密封圈结构及工作行程确定的条件 下 ，其动态密封性能由主密封面流体的最大压力梯度 控制 ，而流体 的最大压力梯度 随密封材料 、密封安装 条件 以及工作 因素 的变化而发生变化 。 3 影响动态密封泄漏量的因素 鉴于动态密封泄漏量受众多因素影响，作者仅就 密封安装条件、密封材料以及工作 因素中的典型因 素，通过 A N S Y S软件进行分析，以期得出若干建设 性结论 。 3 ． 1 基 本假 设 计算 0形圈 液压 往复 动态 密封 泄漏 量 的假设 条 件如下 1 密封 的接触 应力 分 布与 流体膜 中的流体 压 力分布相 同。 2 密封具 有 近似抛 物 线压 力分 布 ，则 最 大梯 度为 d p ／ d x 一 4 P ／ b ，其 中 b 为密封接触 宽度 ， P ro 为最大接触压力 。 3 ． 2 影响泄漏量的因素 1 安装 条件 0形密封圈在安装时会产生预压缩 ，不 同的压缩 率在各节点所产生的接触应力也不同。由图 4可看 外 行程 中的接触应力 相应地 发生变 化 ，且接触应 力 曲线形状 近似 抛物线 。通过公式 5 得 出不 同压 缩率下的密封泄漏量 ，见表 1 。可以看出，动态密封 的泄漏量随着压缩率的增加而减小 ，这主要是压缩率 增加导致接触应力和接触宽度增加所致 。 4 3 量 菩 蠢 0 20 ％一 18％1 5％ 0 1 2 3 4 5 6 节 点序 号 a 外 行程 4 3 蠢 一 0 20％一 l 8％一 15％ 0 1 2 3 4 5 6 节 点序 号 b 内行 程 图4 不同压缩率下 0形圈主密封面接触应力曲线 表 1 不 同压缩 率下的泄漏量 压缩率／ ％l O 1 2 1 5 1 8 2 0 o ． 0 0 4 0 6 7 O 0 s s ⋯O 0 ， ， 0 0 2 z 。 ． 0 0 1 6 7 z 2 密封材料 由于密封材料特性的不同 ，活塞杆与密封圈及缸 体与密封圈之间的摩 擦状况会有所不 同。图 5 示 出了 不 同密封材料 摩擦 因数下 ，密封圈的接触 应力变化趋 势。可 以看 出 增加摩擦 因数使 主密封面的接触 宽度 增加 ，接触应力变化不显著。不同摩擦因数下的动态 密封泄漏量见表 2 ，随着摩擦因数的增加 ，泄漏量计 算结果为负值 ，说 明活塞杆外行程泄漏 的油液在 内行 程 中全部被泵 回，理论上未发生泄漏 。然而 ，从泄漏 的角度来说 ，并非是摩擦 因数越大则泄漏量越少 。微 观表面的凹凸不平使密封圈很难将这些空间填满，也 就增加 了泄漏 的可能性 。 4 3 要 - 鲻0 ．1 3 霄 皇 2 疆1 鲻 0 节 点序 号 节 点序 号 a 外行 程 b 内行 程 出 ，随压缩 率 的变化 ，O形圈 主密 封 面在 活塞 杆 内 图5 不同摩擦因数下 0形圈主密封面接触应力曲线 表2 不同摩擦因数下的泄漏量 3 工作 因素 在活塞杆行程给定的情形下 ，分析油压的变化对 动态密封泄漏量的影响 。从 图 6可看出 ，随工作压力 增加 ，接触 面积也加大 ，压力呈抛物线型 ，且最大接 触应 力均大于油压 ，满足密封条件 。不 同油压下 的泄 漏量计算结果见表 3 ，可看出油压升高 ，泄漏量先 第 8期 郑辉 等 液压往复密封泄漏量 的有 限元 分析 6 1 增加后 降低且 趋 于一 常数 值 。分析 其 原 因在 于 油 压小于 2 ． 5 MP a 时 ，随着工作压力 的增加 ，接触 应力 增加 的趋 势 小 于 接 触 面 积 增 加 的 趋 势 ；油 压 大 于 2 ． 5 M P a时 ，接触应力增 加的趋势与接触 面积增加 的 趋势相同。 一 4 ． 5 M Pa一 3． 5 M Pa 一4 ． 5 M Pa一 3． 5 M Pa 一 2 SM Pal S M Pa 一 2． 5M Pa一 1 ． SM Pa 0 1 2 3 4 5 6 7 8 节 点序 号 f a 1 外行 程 0 1 2 3 4 5 6 7 8 节点 序 号 f b 内行程 图 6 不 同油压下 0形 圈主密封 面接触应力 曲线 表 3 不同油压下 的泄漏量 油压／ MP a 0 ． 5 1 ． 5 2 ． 5 3 ． 5 4 ． 5 泄漏量 m L ／ 循环 0 ． 0 0 1 1 5 3 0 ． 0 0 2 7 7 1 0 ． 0 0 5 4 1 4 0 ． 0 0 2 6 5 1 0 ． 0 0 2 3 0 9 4结 论 作 者通 过对 0形 圈 的有 限元 分析 以及 泄 漏量 的 计算 ，分析各 因素 对动态密封泄漏量 的作用规律 ，得 出如 下结论 1 动态 密封 泄漏 量与 压 缩率 紧密联 系 ，对 一 个有 高要求 的密封结构而言 ，选择合适 的压缩率是至 关重要 的。 2 选用 合适 的密 封材 料 摩擦 因数 可保 证 动态密封 的效 果和可靠性 ，增大摩擦 因数 可以减少 泄 漏量 ，但过大 的摩擦 因数对动态密封效果不 利。 3 工作 油压 对 泄漏 量有 显 著影 响 ，在低 压 工 作时 ，动态密 封的泄漏量随工作压力 的增加呈 现出先 增大后减小且趋 于某 一常数的趋势 。 参考文献 【 1 】吴文涛 ， 叶子波， 黄兴． 有限元分析法在工程密封件设计 上的应用 [ J ] ． 润滑与 密封 ， 2 0 0 7 I 1 7 61 8 0 ． 【 2 】常洁， 陈同祥． 航天器中一种典型 0形密封圈的有限元 分析 [ J ] ． 航天器工程 ， 2 0 0 8 ， 1 7 4 1 0 41 0 8 ． 【 3 】张康雷， 周志鸿 ， 许同乐． 液压缸活塞杆密封的泄漏量计 算[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 6 8 1 0 21 0 5 ． 【 4 】刘溪涓， 刘承宗 ， 林钧毅， 等． 一种含超弹性接触问题的 密封结构的有限元求解方法[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 1 ， 1 2 1 1 1 2 1 1 1 2 1 3 ． 【 5 】 M u l l e r H e i n z K ， N a u B e r n a r d S ． 流体密封技术 原理与应 用[ M] ． 程传庆， 译． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 2 ． 7 ． 上接第 3 1页 配 ，通过装配约束条件完成装配 。通 过装配体 可 以进 行干涉检验 。钻孔夹具装配体 和输 出的工程 图如 图 7 所示 。 B f b 工 程 圈 图7 系统生成的钻孔夹具三维装配体和工程图 5结 论 在 S o l i d Wo r k s 发平 台上 ，以 V B为 开发工 具 ，建 立了半轴齿轮 专用 夹具 的 C A D系统 ，提 高 了设计 效 率 和设 计质量 。把夹具设 计 的有 关知识 存入 计算 机 ， 有利 于夹具 设计技术 的继承 和发展 。开发 的系统采用 了统 一的程 序 ，实现 了夹具设计 的通用化 、标 准化和 系列化 。 参考文献 【 1 】王华侨． 计算机辅助夹具设计 C A D系统 的研究与实现 [ D ] ． 武汉 华中科技大学， 2 0 0 3 7 8 ． 【 2 】兰成均． 基于特征工艺的机床夹具 C A D系统研究[ J ] ． 工具技术 ， 2 0 0 3 8 1 51 7 ． 【 3 】兰成均． 基于特征建模与 We b技术的机床夹具 C A D系 统研究[ D ] ． 成都 四川大学 ， 2 0 0 2 1 01 5 ， 5 47 0 ． 【 4 】 刘炳文， 李凤华． V i s u a l B a s i c 6 ． 0程序设计[ M] ． 北京 清华大 学出版社 ， 2 0 0 1 8 21 1 5 ． 【 5 】 江洪 ， 李仲兴 ， 邢启恩． S o l i d Wo r k s 2 0 0 3 二次开发基础与 实例教程[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 3 91 0 ． 【 6 】刘长红． 齿轮加工中并行设计 [ D] ． 洛阳 河南科技大 学 ， 2 0 0 4 4 0 4 2 ． 【 7 】王秀伦， 边文义， 张运祥． 机床夹具设计[ M] ． 北京 中国 铁 道出版社 ， 1 9 9 8 6 8 7 2 ． 5 4 3 2 l 0 B d 窆＼ 毯 摇鲻