基于钢厂举升液压缸密封圈的有限元分析

2015-04-16，

液压与气动 2015年1期

关键词：密封圈液压缸密封

，

(内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头　014010)

引言

无缝钢管厂在钢管举升液压缸工作过程中，活塞频繁做往复运动，其上密封圈起封闭和保压的作用。若密封圈失效会导致液压油泄漏，使工作压力降低而出现爬行现象，严重时可能导致不必要的生命财产损失，图1显示为失效的密封圈。

图1　举升液压缸的失效密封圈

针对密封圈的失效现象，一些学者也做了探索，如张东葛等人[1]采用变参数法对Y形密封圈做了变形和受力分析，且对密封圈进行了结构优化，以延长密封圈的使用寿命；谭晶等人[2]利用Ansys有限元软件同样采用变参数法研究了O形密封圈的使用性能；于润生等人[3]应用超弹性理论和非线性理论，对复杂截面的YX形密封圈做了有限元分析和结构优化。以上研究大都基于静态密封情况，在前人研究的基础上,本研究使用ANSYS12.0有限元软件实际模拟举升液压缸往复运动，分析了密封圈的变形和应力分布，对其他往复运动密封圈的研究具有参考价值。

1　密封圈几何模型

本研究的对象为举升液压缸上作往复运动的密封圈，建立模型涉及到的沟槽及Y形密封圈尺寸、公差根据GB/T 10708.1-2000标准[4]选择，选择密封圈型号为Y56419.5 6271GB/T 10708.1-2000，具体尺寸及沟槽尺寸如图2、图3所示。

图2　密封圈尺寸

图3　沟槽及装配尺寸

2　密封圈的有限元模型

由于液压缸、活塞以及密封圈均为轴对称元件，所以建立有限元模型时使用平面模型结构模拟三维实体模型，这样不仅可以节省建模时间，而且装配简单，便于整体分析；

2.1　单元模型

本研究的密封圈和缸体活塞均采用实体单元模型PLANE182，接触单元模型在创建接触对时ANSYS自动生成单元模型，目标单元TARGE169，接触单元CONTA172。

2.2　材料模型

对往复运动密封圈做研究涉及到两种材料，钢与橡胶材料，钢材料的各参数可以查阅机械设计手册的45#钢，橡胶材料的各个参数一般需要使用测量的方法获得，而本研究由于实验条件的限制，只能近似参考已有的数据。该模型需要定义材料的弹性模量、泊松比、密度等材料特性，如表1所示。

表1　材料特性

另外橡胶密封圈材料可以近似抽象为小变形的超弹性材料(即不可压缩)，应力应变表现强烈的非线性，所以需要定义该材料模型的应变能密度函数，本研究选取两参数的Mooney-Rivlin模型来模拟橡胶密封材料，其应变能密度函数可以表示为下式[5]：

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

式中：I1，I2，为应变不变量，C01,C10为Mooney-Rivlin常数，取C10=2.31，C01=0.58；

2.3　网格模型

网格划分[6]是有限元法的关键步骤，网格划分的优劣直接影响ANSYS有限元计算结果的精确度，本研究刚体活塞网格尺寸设置为0.001，密封圈尺寸设置为0.0005，网格扩展模型如图4所示。

图4　网格模型

3　施加载荷及求解分析

3.1　施加载荷

本研究模拟实际举升液压缸工况，对密封圈施加三个载荷步：载荷步一，给缸体施加一个沿x轴负向的位移载荷来模拟Y形密封圈安装在活塞缸体上时产生预压缩；载荷步二，给活塞和密封圈一个沿y轴负向的位移载荷来模拟往复运动速度；载荷步三，给活塞和密封圈一个沿y轴正向的位移载荷来模拟往复运动速度；

3.2　施加约束

给活塞施加约束载荷UX=0，缸体施加约束载荷UY=0。

4　结果分析

在工作压力为15 MPa，往复运动速度为0.5 m/s，顺行程和逆行程[7]的变形和等效应力如图5、图6所示。

图5　顺行程等效应力图

图6　逆行程等效应力图

由图5、图6可以看出，密封圈往复运动顺行程中最大等效应力为27.725 MPa，逆行程中最大等效应力为32.711 MPa，逆行程的等效应力值大于顺行程，即逆行程对密封圈的损坏比顺行程的更大，而且最大应力值均出现在密封圈唇部，这与实际密封圈损坏的部位相一致，从而证明了有限元法对橡胶密封圈研究的可行性，以及密封圈失效的本质是持续的交变应力使橡胶材料产生疲劳。

设法延长密封圈实际使用寿命，提高密封圈的密封性能是研究者和使用者切实所关心的问题，也具有实际的意义，要延长密封圈的使用寿命和密封性能，需研究它的影响因素，如往复速度、工作压力、密封间隙、圆角半径等，本研究不再做叙述，参考前人研究成果[1，4]。