组合液压阀端面密封结构的有限元设计.pdf

2 0 1 3年 1月 第 3 8卷 第 1期 润滑与密封 LUBRI C ATI ON ENGI NEERI NG J a n ．2 0 1 3 V0 1 ． 3 8 No ． 1 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 2 5 组合液压 阀端面密封结构 的有限元设计 田 俊 中航工业南京机电液压工程研究中心，航空机电系统综合航空科技重点实验室江苏南京 2 l 1 1 0 6 摘要采用限元分析方法对某组合液压阀端面密封结构进行分析，建立该密封结构的轴对称模型，选择合适的材 料本构模型并合理地描述接触边界条件，结合有限元分析方法和现行设计标准对该密封结构的尺寸进行设计，并从密封 性和强度两个方面对该密封结构的失效模式进行分析，得到密封圈的变形、应力分布以及接触表面的接触压应力和密封 长度 ，证实该密封结构的可靠性。 关键词 端面密封；橡胶密封圈；液压阀；接触应力 中图分类号T B 4 2 文献标识码 B文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 3 1 1 1 2 5 Fi l l i t e El e m e n t De s i g n o f Fa c e S e a l S t r u c t u r e i n Co mbi n a t i o n a l Hy dr a u l i c Va l v e Ti a n d u n N a n j i n g E n g i n e e ri n g I n s t i t u t e o f A i r c r a f t S y s t e m s o f A V I C ， A v i a t i o n K e y L a b o r a t o r y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o n A e ro E l e c t r o m e c h ani c a l S y s t e m I n t e g r a t i o n ， N anj i n g J i ang s u 2 1 1 1 0 6 ， C h i n a Ab s t r a c t A f a c e s e a l s t r u c t u r e f o r o n e c o mb i n a t i o n a l h y d r a u l i c v alv e wa s an a l y z e d b y fin i t e e l e me n t me t h o d， a n d t h e a x i s s y mme t ric mo d e l o f t h e s e a l s t ruc t u r e wa s e s t a b l i s h e d． B y s e l e c t i n g t h e a p p r o p ria t e ma t e rial c o n s t i t u t i v e mo d e l an d d e s c rib i n g t h e c o n t a c t b o u n d a r y c o n d i t i o n p r o p e r l y， t h e s i z e o f t h e s e a l s t ruc t u r e wa s d e s i g n e d b y fin i t e e l e me n t an aly s i s me t h o d an d c u r r e n t d e s i gn s t a n d a r d s ． Th e f a i l u r e mo d e o f t hi s s e al s t ruc t u r e wa s a n a l y z e d f r o m t wo a s p e c t s o f s e ali n g p e r - f o r ma n c e a n d s t r e n g t h ． T h e d e f o r ma t i o n a n d s t r e s s d i s t rib u t i o n o f r u b b e r rin g， c o n t a c t c o mp r e s s i v e p r e s s u r e an d s e al l e n gth o f t h e c o n t a c t s u r f a c e we r e o b t a i n e d b y a n aly s i s ， a n d r e l i a b i l i t y o f t h e s e al s t ruc t u r e wa s p rov e d． Ke y wo r d s f a c e s e al ； rub b e r rin g ； h y d r a u l i c v alv e； c o n t a c t s t r e s s 橡胶密封圈的端面密封结构通过 0型圈与密封 面的充分接触，提高了密封效果。不同密封对象、工 况下的端面密封结构存在较大的差异 ，且由于其压缩 量大、边界条件复杂，传统的 I 型、I I 型密封结构的 设计标准均不适用于端面密封结构 ，因此 目前国内尚 未形成专门的行业标准和设计准则来指导其设计。有 限元分析方法的出现使得研究者们能够直观地描述分 析对象的结构、材料特征，施加合理的边界条件，更 加形象地显示变形 、应力分布等分析结果，为端面密 封结构的设计提供了一种解决途径。 橡胶材料是一种超弹性材料，当应变和变形相当 大时，材料仍然是弹性的，且耐磨 ，耐压 ，是制造密 封装置的一种理想材料，在航空航天，交通运输和建 筑工程领域得到了越来越广泛的应用。对橡胶材料的 收稿 日期 2 0 1 2 0 7 2 5 作者简介 田俊 1 9 8 2 一 ，男，工程师 ，主要从事飞机液压操 纵系统及附件的研制．E m a i l t i a n j u n r 0 9 s i n a ． c n ． 力学本构模型的研究始于2 O世纪 4 0年代。1 9 4 0年 M o o n e y 推导了具有 2个材料参数 的应变能函数。 1 9 4 8年 R i v l i n 从数学角度出发 ，研究 了 3个应变 不 变量的特征，将上述应变能函数发展为只有 2 个应变 不变量的形式 ，这就是 目前应用最广泛 的用 以描述超 弹性材料的Mo o n e y R i v l i n 模型。近年来 ，有限元技 术的发展，使得橡胶材料复杂的本构模型得到数值描 述 一 。 本文作者从 Mo o n e y R i v l i n模型 出发 ，以有限元 分析软件为平台，设计了飞机起落架系统中某组合液 压阀的端面密封结构，并在不同工况下对其进行了强 度校核和密封性分析。 1 分析模型 1 ． 1 有限元模型 根据组合液压阀节流套处密封结构本身的轴对称 特点 ，使用轴对称分析模块进行建模分析，将三维模 型转化为二维模型 ，能有效地减少计算量，该密封装 配前结构如图1 所示 ，装配结束后上壳体、节流套的 2 0 1 3年第 1 期 田俊 组合液压阀端面密封结构的有限元设计 1 1 5 3 ． 1 强 度 校 核 由于装配过程中的挤压以及工作时油液的挤压作 用 ，密封圈受到向缝隙挤压的力 ，使得在密封槽边缘 处的应力值显著增大，容易发生破坏，因此，必须符 合 如下强度准则 o r ≤ [ ] 3 式中 为密封圈中的最大 Mi s e s 应力 ；[ ]为对 应 的材料强度极 限。 对不同工作状态下的密封圈变形和受力状态进行 了分析 ，应力极大值见表 1 。计算得到的非工作状态 的密封圈变形及应力分布如图 8 a 所示 ，2 8 ，3 2 和3 5 M P a油 压 下 密 封 圈 变 形 及 应 力 分 布 如 图 8 b 一 d 所示。可见，工作状态下的最大应力 位置出现在密封槽底圆角与下壳体的间隙。 表 1 不同油压作用下的应力极大值 Ta b l e 1 Ma x s t r e s s u n d e r d i f f e r e n t p r e s s u r e s MP a 9 。 645 8 ． 95 2 8 ． 25 8 7 ． 564 6． B 71 6， 17 5 ． 48 3 4 ． 790 4 ． O96 3． 4 0 3 2． “ t O9 2 ． 015 1 ． 3 22 工 1．5 l 8． 99 8 ． 1 5 7 ． 3工 6 ． 46 5 ． 石2 4． 79 3． 9 4 3． 1 0 2 ． 26 工 ． 42 图 8 密封圈变形及 M i s e s 应力分布 F i g 8 De f o r ma t i o n a n d Mi s e s s t r e s s o f s e a l a wi t h o u t h y d r a u l i c p r e s s u r e ； h 2 8 M P a h y d r a u l i c p r e s s u r e ； C 3 2 M P a h y d r a u l i c p r e s s u r e ； d 3 5 MP a h y d r a u l i c p r e s s u r e 从表 1可知，密封圈的最大 Mi s e s 应力为 1 1 ． 5 MP a ，而密封圈所用的丁腈橡胶强度超过 2 0 M P a ，因 此密封圈满足强度要求。 3 ． 2密封性分析 要保证密封 ，必须满足如下密封性条件 1 有足够的密封长度 ； 2 密封压力大于油压 ，即 P ≥ P 4 式中p 为密封面上的最大接触压应力 ； P为油压。 组合液压阀是系统中的液压控制部件，通过节流 套调节流量来控制下一级液压执行机构的运行速度。 经计算，若节流套外圆和上壳体内孔之间由于公差存 在的配合间隙达到最大状态时，内部泄漏产生的流量 将会使工作流量增加5 0 ％ ，因此 s 。 处必须有足够的 接触压应力来防止在该接触面上出现内部泄漏，以免 对执行机构的运行速率和动作精度产生影响。 由于结构的限制，不可能在上述密封结构中使用 两级密封来分别消除内漏和外漏，因此，各密封面所 提供的接触压应力应能同时防止油液的内部和外部泄 漏，该端面密封结构在设计时需要综合考虑各个接触 面 的密封性 。 随着油压的增加，密封圈将压力沿一定比例向各 个方向传递 ，各密封面上的最大接触压应力的变化见 图9 。可看出，最大接触压应力始终大于油压，满足 密封条件 。 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 油压p ， MP a a 面 S 1 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 S 4 0 油压 p ／ MP a c 面 S 3 量 i 翅 幽 疆 辎 堪 4 0 35 30 2 S 2 0 l S 1 0 S 0 5 l 0 l 5 2 O 2 5 3 0 3 5 4 0 油压p／ MP a b 面 S 2 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 O 油 压p ／ MP a d 面 S 4 图 9 最大接触压应力变化曲线 F i g 9 C h a n g e c u r v e s o f ma x c o n t a c t c o m p r e s s i v e s t r e s s a f a c e S 1 ； b f a c e S 2 ； c f a c e S 3 ； d f a c e S 4 上述最大接触压应力的变化过程可看作 2个阶 段 ，阶段一 油压从 0增至 1 5 M P a 时 ，密封 圈处 于 受压变形阶段，密封压力主要由密封圈的压缩来提 供；阶段二油压继续增加时，密封圈已完全被挤到 密封槽右侧，本阶段面 S 、S ， 、s 上的密封长度不 再发生变化，密封圈的变形仅表现为密封面 S 上接 触长度的变化 见图 1 O ，密封压力的增量与油压增 量近似为 1 1 的关系。 加 如 加 5 B d ， I l 通幽墓鞲 軎 柏 如 日 ， I I 氆幽疆辎 噼 们 如 柏 m 日 鲁鼍 n 避出 裁蜷 K啦 1 1 6 润滑与密封 第 3 8卷 0 ． 7 0 昌 0 6 5 宴0 ． 6 O 0 ． 5 5 辅 0 ． 5 0 静 0 ．4 5 O ． 4 0 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 油 _ p ／ MPa 图 1 O 面 S ． 密封长度变化曲线 F i g 1 0 Ch a n g e c u r v e o f s e a l l e n g t h o n f a c e S 4结 论 1 采用有限元分析方法 ，以强度和密封性为 目标值对某端面密封结构的基本结构尺寸和关键要素 进行了设计 ，该密封结构在飞机起落架系统中某组合 液压阀中得以实现，目前试验和工作状况良好。 2 油压作用下的应力极大值 出现在上壳体下 端圆角与下壳体之间的间隙处，随着 圆角半径 的增 大，密封圈的挤入量增加，应力极值也随之增加。 3 低压阶段的密封压力主要由密封圈的压缩 来提供，高压阶段的密封压力增量同油压增量的比值 约为 1 1 。 4 该密封结构具有密封压力大、密封面多的 特点 ，有足够的密封压力来保证非工作状态、工作过 程中以及高压状态下的密封性能，能够满足未来飞机 高压、超高压液压系统的需求。 参考文献 【 1 】M o o n e y M． A t h e o r y o f l a r g e e l a s ti c d e f o r m a t i o n [ J ] ． J a p p l P h y s ， 1 9 4 0， 1 1 58 25 9 2． 【 2 】R i v l i n R S ． L a r g e e l a s t i c d e f o r m a t i o n o f i s o t r o p i c m a t e ri a l IV． F u r t h e r d e v e 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P u r p o s e R u b b e r P r o d u c t s ， 2 0 0 4， 2 5 4 81 0 ． 上接第 1 1 1页 表 1 l 研制油氧化诱导期 T a b l e 1 1 Ox i d a t i v e i n d u c t i o n t i me o f d e v e l o p e d o i l s 可见，台架试验后 ，氧化诱导期时间略短于试验 前 ，表明研制油抗氧化添加剂有一定消耗。台架试验 后起始氧化温度变化程度很小，显示试验后油品仍有 相当好的抗氧化能力。按上述试验时间和添加剂消耗 速率估计，试验后的研制油仍可大约继续试验4 6 0 0 h 。 5 结论 研制一种聚醚类旋叶式汽车空调压缩机冷冻机 油，理化性能评价显示研制油在黏温性能、低温性 能、润滑性能、临界溶解温度、冷媒安定性上与参 比 油相当；性能试验和耐久性台架试验表明，研制油有 很好的润滑性能，能够满足旋叶式汽车空调压缩机运 行要求；氧化诱导期测试表明，经过耐久性台架试验 以后，研制油仍具有很好的抗氧化能力。 参考文献 【 1 】阙雄才， 陈江平． 汽车空调实用技术[ M] ． 北京 机械工业出 版社， 2 0 0 3 1 8 ． 【 2 】黄福川， 郝红， 万嫦娥， 等． 汽车用可生物降解型制冷压缩机 油的研制[ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 6 ， 3 1 7 1 6 0 1 6 2 ． Hu a n g F u c h u a n， Ha o Ho n g， Wa n C ha n g’ e， e t a 1 ．Re s e a r c h a b o u t b i o d e g r a d a t i o n o n r e f r i g e r a t i o n l u b ric a t i o n o i l o f a ut o mo b i l e [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 6 ， 3 1 7 1 6 01 6 2 ． 【 3 】贺景坚， 梁宇翔， 陈晓伟， 等． 适用于 H F C 1 3 4 A的聚乙二醇 碳酸酯冷冻机油[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 6 ， 3 1 1 2 1 8 9 1 9 2 ． He J i n g j i a n ， Ha n g Yu x i a n g ， C h e n Xi a o w e i ， e t a 1 ． A n o v e l p o l y a l k y l e n e g l y c o l c a r b o n a t e r e f ri g e r a t o r o i l u s e d wi t h r e f r i g r a n t s H F C 一 1 3 4 A [ J ] ． L n b ri c i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， 3 1 1 2 1 8 9 1 9 2． 【 4 】陈盂湘． 汽车空调一原理结构安装维修[ M] ． 2版． 上海 上 海交通大学出版社 ， 2 0 0 1 1 4 0 ． 【 5 1 S I- L ／ T 0 6 9 9 2 0 0 0 冷冻机油与制冷剂相溶性试验法[ S ] ． 【 6 】S H ／ T 0 6 9 8 - 2 0 0 0 在制冷系统中冷冻机油化学稳定性试验法 密封玻璃管法 [ S ] ．