弹性液压往复密封增效设计的理论研究.pdf

2 0 1 4年 1 月 第 3 9卷 第 1期 润滑与密封 LUBRI CAT1 0N ENGI NEERI NG J a n ． 2 01 4 Vo 1 ． 3 9 No ．1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 0 6 弹性液压往复密封增效设计 的理论研究 张付英李腾洪彬 天津科技大学机械工程学 院天津 3 0 0 2 2 2 摘要 针对传统密封设计基于经验和技巧 、没有理论 和方法指 导的问题 ，提 出弹性往复密封 的增效设计理论 。在 分析弹性液压往复密封的失效形式 和增效机制 的基础上 ，提出弹性往复密封增效设计的概念 ，确立使密封高效和无泄漏 的增效准则。根据增效准则 ，提出弹性往复密封的增效设计技术体系。该理论提高 了密封 设计过程 的规 范化 和可操作 性 ，有效提高了密封设计 的效率和质量 。 关键词 弹性往复密封 ；增效设计 ；增效准则 ；泄漏 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A文章编号0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 4 1 0 2 9 4 The o r i e s S t u d y o n Effi c i e nc y - Re i n f o r c e m e n t De s i g n f o r El a s t o me r i c Hy d r a ul i c Re c i p r o c a t i n g Se a l s Zh a n g Fu y i n g L i Te n g Ho n g Bi n C o l l e g e o f M e c h a n i c a l E n g i n e e ri 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 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 Ai me d a t t h e p r o b l e ms t h a t t h e s e a l d e s i g n r e l i e s o n e mp i ric a l me a n s wi t h o u t me t h o d s g u i d i n g， t h e e ffic i e n c y r e i n f o r c e me n t d e s i g n t h e o rie s f o r e l a s t o me r i e h y d r a u l i c r e c i p r o c a t i n g s e a l s we r e p r o p o s e d． B a s e d o n t h e e x p l o r a t i o n i n t h e f a i l u r e t y p e s a n d e ffic i e n c y r e i n f o r c e me n t me c h a n i s m o f e l a s t o me r i c r e c i p r o c a t i n g s e a l s， t h e c o n c e p t o f e ffi c i e n c y r e i n f o r c e me n t d e s i g n for e l a s t o me r i c r e c i p r o c a t i n g s e a l s wa s p u t f o r wa r d， t h e e ffi c i e n c y r e i n f o r c e me n t r u l e s we r e b u i l t wh i c h c o u l d r e a l i z e t h e h i g h r e l i a b i l i t y a n d e ffic i e n c y o f s e a l s a n d z e r o l e a k a g e ． Ac c o r d i n g t o t h e e ffi c i e n c y r e i n f o r c e me n t r u l e s ， t he e f - fic i e n c y - r e i nfo r c e me n t d e s i g n t e c h n o l o g i e s for e l a s t o me r i e r e c i p r o c a t i n g s e a l s we r e p r o p o s e d． T h i s t h e o r y i mp r o v e s t h e n o r mal i z a t i o n a n d o p e r a b i l i t y o f t h e s e a l d e s i g n， a n d i mp r o v e s t h e d e s i g n q u a l i t y a n d e ffic i e n c y o f e l a s t o me r i e r e c i p r o c a t i n g s e a 1 ． Ke y wo r d s e l a s t o me r i c r e c i p r o c a t i ng s e a l ； e ffic i e n c y r e i n f o r c e me n t d e s i g n； e ffi c i e n c y r e i n f o r c e me n t rul e s ； l e a k a g e 液压往复密封装置是现代机械设备的关键基础零 部件 ，其功用是 防止驱动介质 的内外泄漏 。密封失效 将导致 主机动态性能 的降低 ，造成环境污染和安全 隐 患 ，因此 ，密封设计对提高现代工业技术质量起着 至关重要的作用。弹性液压往复密封的密封行为受密 封偶合面的润滑、摩擦、磨损 、变形 、传热、材料性 质 、结构形状 和工况参数等 因素影 响 ，是液压系统 中 使用条件复杂 ，对密封装置要求较高的动密封。传统 的密封设计没有 系统 的设计 理论 和方法指 导 ，都是凭 借经验 和技 巧 ，设计 过 程带 有很 大 的试 凑性 和偶 然 性 ，很难在较短 时间内开发 出有效性 、可靠性和耐久 性高 的设计方案 。 世界性 的环保 、节能和可持续发展对液压往复密 封设计提 出 了更 加苛 刻 的要求 。 目前 国际上 提 出 了 基金项目国家 自然科学基金项 目 5 1 0 7 5 3 0 0 ． 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 0 6 作者简介 张付英 1 9 6 5 一 ，女 ，博士 ，教授 ，主要研究方向 为产品创新设计和密封设计．E m a i l z h f u y i n g t u s t ． e d u ． c n ． “ 无 泄漏 ”要求 ，并从理论 和实践上对 液压往 复密封 技术进行了富有成效 的研究 ，有效地减小 了液压 密封 的泄漏损失。而国内密封技术的应用水平仍落后于国 际先进水平2 02 5年，主机无泄漏正常工作时间仅 4 0 0 h左 右 ，不 足 国际 先进 水 平 的 1 ／ 1 0 。密 封 性 差 、容易漏油一直是 困扰 国内液压基础零部件质量不 过关 的关键问题 。造成 这一 问题 的主要原 因是密封件 的加工一致性 差 ，设计人员在选择密封件 时不 了解其 密封机制和应用条件 ，密封 装置的设计不合理 。实践 证 明，合理的密封件截面形 状设计 、密封材料选择及 密封件的组合 设计 可减小密 封装置 尺寸 ，有效避免密 封件 的破 坏和泄漏 。因此 ，弹性液压往复密封 的设计 理论和方法的研究 ，对弹性往复密封增效结构的快速 开发具 有指导作用。 1 弹性液压往复密封的密封机制 1 ． 1 弹性液压往复 密封的 工作原理 弹性液压往复密封的工作原理如图 1 所示。弹性 密封件安装在密封腔体时使其预先具有一定的压缩 量，密封偶合面问存在初始接触压力；工作时在油压 润滑与密封 第 3 9卷 作用下 ，泊松 比近似等于 0 ． 5的弹性 密封件沿作用力 方向移动并改变其截面形状 ，密封偶合面间的接触压 力也相应变化 ，实现 自紧密封 。 液 压 油 图 1 弹性往复密封的工作原理 F i g 1 T h e p r i n c i p l e o f e 】 a s t o me r i c r e c i p r o c a t i ng s e a l s 静止时 ，靠密封偶合 面问的初始接触压力和油压 产生 的接触压力的共同作用 阻塞流体泄漏通道而达到 密封。往复运动时，随着密封界面流体膜形成 ，各种 因素导致密封表面稍微分开 ，形成泄漏通道 ，若 出现 流体在泄漏通道中的流动 ，即发生了泄漏 。 弹性往复 密封件 的闭合力 密 封力 是一 个综 合参数 ，它反映密封件 的结构参数和材料性 能 ，而且 对生产工艺的偏差 也很敏感 ，它决定密封件 的工作能 力 。闭合力 越大 ，密封效果越好 ，但相对滑动时密封 的磨损越严重 ，越容易引起密封的疲 劳破坏 。 1 ． 2 弹性 液压往 复密封 的密封机制 液压往复密封理论 的研究最早可以追溯 到二次世 界大战中用于战斗机的液压驱动器及其控制的项 目研 发 ，而对 往复密封理论做 出划时代突出贡献 的当属 Wh i t e和 D e n n y对 往 复 密 封 系 统 的理 论 和 实 验 研 究 。1 9 5 0年代 后期 ，弹性流 体动 力润 滑理论 的提 出及其在液压往复密封上 的成功应用 ，推动 了随后近 二十年液压往 复密封 的摩擦 、泄漏和密封性能 的理论 和实 验研 究 。1 9 7 0年 代摩擦 学 学科 的产 生 ，丰富 了 液压往复密封机制 的研究 。解释往 复密封机制 的理 论 主要有液体表面张力理论 、边界润滑理论和流体动 力密封理论 。 流体动力密封理论的主要内容是 由流体膜承载保 持密封 和润滑 的成膜理论 ，成膜理论 的基础是窄缝 黏性 流体流动 ，其控制方程是 简化 的雷诺方程 。流体 膜 的厚度和形状对密封至关重要 ，可 以根据膜压分布 和流速分布用逆解法 求解膜厚和流槽形状 ；也可 以 根据膜厚和流槽形状用顺解法求解 流体膜分布和流体 泄漏量 。早期的密封研究 由于基 于全油膜润滑和完 全光滑 的密封表面 的两个关键 假设 ，因而对实际的密 封设计没有产生多大影响 。实验证 明 ，在很宽的条件 范围内会 出现混合 润滑状 态 ⋯，密封 件 的表 面粗糙 度对决定 密封是否泄漏具有重要作用 。 1 ． 3 弹性液压往复密封的失效形式和失效机制 弹性往复密封 的主要失效形式有 泄漏和密封件 的破坏。 1 ． 3 ． 1 密封的泄漏 往复运动时 ，由于密封偶合 面间有一层很薄的流 体膜 通常小于 1 g , m ，往复密封在混合润滑和弹性 流体动压 润滑状态下工作 ，因此在 内外行程时会有一 定的流体体积携带通过问隙，如果流出的流率大于返 回的流率 时就产生泄漏 。 密封 的泄漏受很多复杂因素的影 响，它与密封件 的表 面粗糙度 、偶合面间的润滑状态 、油膜厚度及其 分 布 ，密封介质压力 、接触压力和油膜压力共同作用 下的油压 分 布 ，密封 件 的截 面 形状 、密封 的材 料 特 性 、密封件 的操作条件 等有关 。密封泄漏的主要原因 是 密封装 置设计 不合 理 密 封沟 槽不 合理 、密封 间 隙不合理 、被密封的配合表 面的粗糙度 太大 ，选用 的密封结构型式与工作压力 、温度 、介质 、使用环境 不相适应 。选用的密封 件材料追随性差 、与密封介质 不相容等也会造成密封 泄漏 。 1 ． 3 ． 2密封件 的破坏 密封件的破坏主要有密封件 的疲劳破坏 、挤 出破 坏 、密封件的磨损 和老化 。 密封件的疲 劳破坏是 由液压系统的冲击和振 动及 微动压力造成 的不 可逆转 的变形 引起 的“ 。如反 复 的挤压 、剪切或材料分子链方 向的改变 ，经过一定循 环次数后 ，形成裂纹并逐渐扩展 ，最终导致密封材料 超 出其疲劳极 限而失效 。密封件的疲劳破 坏最终 导致 密封泄漏 。 密封件经历循环载荷时会产生复杂的现象 ，密封 的材料特性 、操 作参 数 如 介质 压力 和往 复运 动速 度 及其工作特 性 如 密封偶 合 面 问的微 动力 学特 性 等都会影 响密封件 的疲劳寿命。 密封件的挤 出破坏是 由于密封件较低 的弹性模量 在高压下发 生较 大蠕 变 时被挤 出到密 封 间隙所 产生 的 。密封槽 的圆角半径 和 密封 问隙大 小和密 封件 的材料硬度都会影 响密封 的挤 出破坏 ，当密封件 的挤 出部分被撕咬掉 时 ，还会增加摩擦 力。 密封件的磨损 是 因密 封偶 合面 问的摩 擦 力 包 括与时 间有 关 的静 态 摩擦 力 、动态 摩擦 力 和 黏 滑 导致密封件 的过热和过度磨损而引起的。液压介质 的 污染和粗糙的配合表 面会加速磨损的产生。密封偶合 面 的润滑状态 、表面微观结构和接触压力及密封介质 的特性都对密封件 的磨损有影响 ，密封安装不 当 ，缸 2 0 1 4年第 1 期 张付英等弹性液压往复密封增效设计的理论研究 3 1 体与活塞的不同心 ，不平稳的启动都会造成密封装置 过度磨损 。 密封件 的硬化是 由于密封件 的温度过 高引起 的密 封件的永久变形 、表面硬化和龟裂。它与密封件的压 缩变形 和剪切模量有关 。 2 弹性液压往复密封的增效原理 2 ． 1 弹性液压往复 密封 的增效原理 液压往复 密封 的增效机 制是 与密封 的失效 相对应 的，它主要研究液压往复密封 的密封特性 。液压往 复 密封特性可分 为如图 2所示 的亚 密封 、密 封空洞 、密 封和密封失效 4个区 。亚密封区，流体压力较小， 密封的泄漏量接近于0 ；空洞密封区，泄漏量随密封流 体压力增加会达到一个最大峰值，而后逐渐减小；密 封 区，流体压力在一定范 围内进 一步升高 时 ，密封处 于正常工作状 态 ，泄漏符合一定 的规律 ；当密封 长期 处于其所能承受的压力之上时 ，就会出现密封失效 。 昌 嘿 介质 压 p ／ MP a 图2 液压往复密封的密封特性 F i g 2 S e a l i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f h y d r a u l i c r e c i p r o c a t i n g s e a l s 液压往复密封的增效原理就是通过密封装置的合 理设计 ，综合平衡密封偶合面的相对速度 、流体黏 度 、接触 面压力等 因素 ，避免密封 出现空洞 区 ，延长 密封区，推迟密封失效区的到来 ，从而保证密封的有 效性 。 2 ． 2 弹性液 压往 复密封 的增效设计 定义 根据 弹性 液压往 复密封 的增效 机制 ，提 出了密封 的增效设计定 义。 增 效设计 是抵抗 密封失 效的设计 ，它是通 过合理 选择密封偶合面材料 、设计密封件截面形状并根据工 况参数 变化对 不同材 料和不 同截 面形状 的密封件 进行 复合设计，使其具有 自适应工作压力变化、自动调节 接触压力分布、自动补偿密封力和自动修复结构损伤 的特点 ，增加密封的有效性 、可靠性实现零泄漏 、延 长密封件使用 寿命 。 2 ． 3 弹性液 压往 复密封 的增效 准则 根据弹性 往复 密封 的增效 机制 和密封失效 机制及 增效设计定义 ，提出弹性往复密封的增效准则 在保 证密封不泄漏的情况下，提高密封件的使用寿命。 在静态情况下 ，弹性往 复密封 出现泄漏 的条件是 油压作 用下的密封件 接触压力小 于等于密封介质 的压 力。而接触压力的大小和分布与密封件的截面形状、 密封安装时的压缩量和密封材料特性决定的。 往复运动时，如果密封间隙流出的流率大于返回 的流率时就产生泄漏。流率的大小主要取决于压力梯 度值 ，而压力 梯度 与密封件 的结构形状 和密封 的变形 有关 ，因此 ，密封件 的形状与预压力 的施加位置 ，对 密封件 的密封与摩擦 性能产生较大影响。密封 的表面 粗糙度对密封是否泄漏也起着非常重要的作用。 密封件的破坏不仅与密封件 的材料有关 ，还与密 封偶合面间的摩擦和润滑状态及微动力特性有关 ，其 中密封的表面粗糙度 决定密 封的润 滑状态 。 另外，密封的实际工作条件，如往复运动速度、 润滑油的黏度、工作温度等也会影响密封性能和使用 寿命 。 根据上述分析，将密封增效准则分为密封增效设 计准则、密封增效工作状态准则和密封增效操作条件 准则 。密封增效设计 准则包 括密封件形状设计准则 和 密封件表面粗糙度准则和密封材料准则。 1 密 封件 形状设 计 准则 密 封件 的结 构形 状 应使密封件在工作时具有实际三角形压力分布特点 ， 且使其最大点靠近接触面的液体端。 2 密封件表面粗糙度准则 密封件的表面粗 糙度不仅影响油膜厚度还会造成密封件的磨损 ，从而 影响密封性能。不同形状 、不同密封压力和不同相对 滑动速度下，密封都有一个临界粗糙度值 ，当密封件 的粗糙度大于这个临界值时将引起泄漏。 3 密 封材 料准则 密封 件 的材料 应具 有较 大 的回弹性实现密封功能，同时在密封偶合面应具有小 的摩擦 因数减小密封件的磨损。 4 油膜厚度准则 即密封增效工作状态准则。 在相对速度 、流体黏度 、接触 面压力等 因素共 同作用 下，密封偶合面不发生泄漏的条件是使其内行程时的 油膜厚度大于外行程的油膜 厚度 ，且油膜厚度使密封 处于混合润滑和流体动态润滑状态。 5 相 对运 动速度 准则 即密 封增 效操 作条 件 准则。当密封件的粗糙度值一定时，有一个动态密封 临界最低速度，当相对运动速度低于这个极限值时， 会导致密封泄漏 。 3 弹性液压往 复密封 的增效设计技术 往复密封的增效设计技术包括结构增效设计 和增 效运行参数设计。弹性往复密封的增效设计是一个涉 及材料学、摩擦学、弹性力学和现代设计方法学等多 学科知识的复杂过程。它是利用现代设计技术，根据 3 2 润滑与密封 第 3 9卷 密封增效设计 准则提 出往复密封的增效设计方案并进 行结构形状设计和参数优化的过程。密封的增效运行 参数设计，则是在结构满足增效设计的条件下，确定 弹性往复密封的最佳运行条件从而延长往复密封的使 用寿命。建立的弹性液压往复密封的增效技术体系如 图 3 所示。该设计技术体系包括弹性往复密封的需求 分析、概念设计、结构和运行参数设计三部分。 一， 需 求 分 析 ．． ⋯⋯ ． 概 念 设 计 ⋯_ _ ⋯ 瓣一 一 现有 密封 密封 功 能定 义 装置 J 和结构分析 用户对 密封 l 密 封的 I l 密 封的 的 新 需 求J i 功 能 属I I 技 术 进 _ T T l 性分析 I I化分析 ■ 。。摩一 弹性 往复 密 封 理想 解 实 际往 复密 封理 想解 结 构设 计 基于ANS YS 的 参数 优化 主 往 复密 封增 效设 计 密 封数 值计 算 密 封 的增 效 运 行参 数 图 3 弹性往复密封的增效技术体系 Fi g 3 Ef f i c i e n c y - r e i n f o r c e me nt d e s i g n t e c h n o l o g i e s o f e l a s t o me r i c r e c i p r o c a t i n g s e a l s 1 密封需 求分析 。通过 对现有 密封装置分析 ， 并结合用户对往复密封新的需求 ，明确用户对弹性往 复密封 的需求 ，并列出用户需求表 。 2 概念设 计 。根 据 用户 对密 封 的需求 ，利用 理想解定义 弹性往 复密 封 的增 效设计 理想 解 ；通 过对现有密封 的结构进化和功能分析 ，提出弹性往 复 密封 的增效设计方案 。 3 结构和运行参数设计。根据密封的增效设 计方案 ，再结合往复密封的增效设计准则 ，进 行往复 密封 的结构设 计。基于 A N S Y S软件 ，将 产生 的增效 设计转换为有 限元模 型 ，通过施加不 同的介质压力分 析密封 圈的最大接触压力 大小及其分布验证其增效性 能 ，并通过结构参数的进一步优化提高其增效性能。 一 旦密封件的结构尺寸确定 ，就可构建弹性密封件 的 密封方程 ，并计算其油膜厚度分布，泄漏量和摩擦 力 ，同时可判断密封不发生泄漏的操作参数。 4结论 1 提出 了弹性液压 往复 密封增 效设 计 的概念 和弹性液压往复密封的增效设计的理论和方法，弥补 了传统密封设计的不足 ，改进 了密封设计过程的规范 化和可操作性 ，有效 提高了密封设计 的效率和质量。 2 提 出了密封 的增效 准则 ，为密封 设计 人员 正确选用和使用弹性密封件提供了可参考的使用状态 和操作条件 ，为我 国液压零部件 的设计 、加工和使 用 提供理论依据。 参考文献 【 1 】张付英 ， 刘卉， 张林静． 液压往复密封理论、 技术与应用的进 展研究[ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 7 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r a u l i c s e a l [ J ] ． T r i b o l o g y I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 9 ， 4 2 1 0 1 4 2 41 4 3 2 ． 【 1 1 】 A v a n z i n i A n d r e a ， D o n z e l l a G i o r g i o ． A c o m p u t a t i o n a l p r o c e d u r e for l i f e a s s e s s me n t o f UHP r e c i p r o c a t i n g s e a l s wi t h r e f e r e n e e t o f a t i g u e a n d l e a k a g e [ J ] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f M a t e ri a l s a n d P r o d u c t T e c h n o l o g y ， 2 0 0 7， 3 0 1 ／ 2 ／ 3 3 35 l _ 【 1 2 】 邹建华 ， 吴榕． 分析液压缸活塞杆密封失效原因及防止措 施[ J ] ． 液压气动与密封， 2 0 0 7 ， 2 7 5 4 6 4 8 ． Z o u J i a n h u a ． Wu R o n g ． S e a l i n g f a i l u r e a n a l y s i s o f h y d r a u l i c c y l i n d e r s r o d a n d p r e v e n t i v e m e a s u r e s [ J ] ． H y d r a u l i c s P n e u m a t i c s＆ S e a l s ， 2 0 0 7， 2 7 5 4 6 4 8 ． 【 l 3 】张富喜， 王俊耀． 用于液压缸密封件的密封性能分析[ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 0 4 ， 5 2 4 7 4 8 ． Z h a n g F u x i ， Wa n g J u n y a o ． Hy d r a u l i c c y l i n d e r s e a l i n g 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