气动平衡器O形密封圈密封性能分析与试验

2021-03-01邵瑞影王洪军葛伟伟

制造技术与机床 2021年2期

邵瑞影王洪军宋娟葛伟伟

(①青岛黄海学院智能制造学院，山东青岛 266427；②青岛万宝压缩机有限公司，山东青岛 266427)

随着社会科技的进步，气动装置发展迅速，逐渐占据了吊装领域[1]。气动平衡器的工作原理是通过改变缸体内气体的压力，促使活塞往复直线运动，活塞的直线运动可通过丝杠转换为旋转运动，卷筒缠绕钢丝绳完成升降重物的工作[2]。在气动平衡器中，密封性能决定着设备的工作效果[3]。密封效果达不到要求，会影响项目的正常进行，增加成本支出，甚至会引发安全问题[4]。O形密封圈主要用于零部件结合面之间、旋转轴与安装座等地方的密封[5]。根据气动平衡器密封要求及各密封形式的适用场合，气动平衡器活塞与气缸之间采用O形密封圈密封。O 形密封圈具有结构简单、价格低廉、适用性强等优点[6]。现阶段已有众多学者对O形密封圈的静力学、动力学和摩擦学展开深入研究[7]。

本文以气动平衡器中的O形密封圈为研究对象，分析其密封性能，得出应力变化规律，最后通过试验验证装置的密封效果。

1 模型建立

1.1 物理模型

气动平衡器是一种气动吊装设备，常应用于机械加工、装配车间，能够实现工件快速搬运，提高装配精度和工作效率，降低工人的劳动强度[8]。如图1所示，气动平衡器主要由端盖、气缸、活塞、O形密封圈、滚珠丝杠螺旋副和推力轴承等组成。

1.2 有限元模型

橡胶密封件结构复杂，为简化结构，将三维模型简化为二维轴对称平面图形。图2所示为气动平衡器O形密封圈有限元模型。活塞孔用O形密封圈规格为185 mm×7 mm。选用PLANE183 四边形8节点网格划分单元，用线性单元表示沟槽。在接触表面中选用同样的摩擦因数[9]。

1.3 模型的基本假设

(1)气缸的弹性模量远大于O形密封圈的弹性模量，定义气缸为刚体。

(2)忽略误差的影响，设气缸密封为轴对称结构[10]。

(3)O 形密封圈材料具有各向同性、均匀连续的特性[11]。

(4)O 形密封圈具有确定的弹性模量和泊松比[12]。

1.4 边界条件

O形密封圈在安装后工作过程中受到单侧工作压力的作用[13]。所以在ANSYS中的模拟操作步骤为：

(1)在气缸施加一个由上到下位移载荷，作用在O形密封圈上，模拟预压缩力变形。

(2)在密封圈右侧施加均布压力载荷，模拟工作状态下密封圈的应力应变。

2 结果与分析

在工程应用中，通常用接触应力和von Mises应力来衡量装置的密封性能[14]。气动平衡器工作时，悬挂物体的重量决定着缸体内气体的压力，不同重量对应的压力不同。在模拟计算时，选取工作压力分别为0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa，在预压缩率为5 %、10 %、20 %下的密封性能。分析结果如图3～8所示。

由图3～8可知，预压缩率不变，工作压力增加时，最大接触应力和von Mises应力都增大，密封圈中间位置受力较大，容易发生变形。预压缩率越大，气动平衡器的密封性越好，但是预压缩率过大会造成O形密封圈疲劳磨损，降低密封圈的使用寿命，所以要合理选择密封圈的预压缩率。

不同预压缩率下，最大接触应力和von Mises应力与工作压力间的变化规律如图9和10所示。

由图9～10可知，工作压力不变时，预压缩力增大，O形密封圈的最大接触应力和von Mises应力也变大，但是预压缩率越大，应力受到压力的影响程度越小。对于气动平衡器而言，预压缩率决定着密封效果，在设置预压缩率时，要适当增大预压缩率，同时还要保证密封圈受力压缩时不产生永久性变形。所以，取预压缩率为20 %时，应力受到工作压力的影响较小，产生的变形也可恢复，能够满足装置的密封要求，也能延长O形密封圈的使用寿命。