□ 张盼盼 □张丽英 □任晓霞 □张子英 □吴凤彪

山西能源学院 机电工程系 太原 030600

1 研究背景

煤矿综合机械化采煤液压支架广泛应用于煤矿井下工作面。液压支架主要由底座、钢结构支撑件、液压系统、控制系统等组成。液压系统中的立柱液压缸用于调整支柱高度,并对工作面顶板进行支撑,是主要的承载部件。千斤顶包括多个小型液压缸,相比于支柱，承载较小,主要用于进行支架推移、巷帮支护、调架等工作[1-6]。立柱和千斤顶作为液压支架的主要动作执行机构,工作稳定性和可靠性对采煤安全和煤炭生产效率影响较大。由于井下工作环境恶劣,多粉尘和腐蚀性介质,因此缸体密封件易发生损伤和提前失效,导致液体介质泄漏,严重影响液压缸的实际支护强度和效果。另一方面,井下液压系统所使用的压力传递介质为浓度95%的乳化液,相比于液压油更容易发生泄漏。乳化液泄漏也将会造成井下环境污染,危害人员健康。

缸体各部分的密封件是保证液压缸密封性的关键,为降低液压支架缸体内液体介质外泄的概率,笔者对起活塞杆密封作用的蕾形密封圈进行研究,分析不同状态下的应力分布规律,为液压支架密封圈的改进提供参考。

2 蕾形密封圈安装

如图1所示,蕾形密封圈一般安装在液压缸缸盖内侧的密封槽中,与导向环、防尘圈等完成对活塞杆的动密封和伸缩导向,防止高压液体介质在活塞杆静态或动态时产生泄漏。

▲图1 蕾形密封圈安装▲图2 蕾形密封圈结构

3 蕾形密封圈结构

如图2所示，液压支架常用的蕾形密封圈一般由Y形密封圈、O形圈、挡板等组成[7]。Y形密封圈是主要密封元件,其主唇与活塞杆外圆紧密接触,是保证密封性的关键。O形圈是弹性变形元件,朝向压力介质一侧安装,在受到液体介质压力作用时发生弹性变形,挤压Y形密封圈主唇口产生变形,增大唇口与活塞杆的接触应力,增强密封效果[8]。为防止在活塞杆伸缩时Y形密封圈底部挤入活塞杆与缸盖之间的配合间隙,一般在Y形密封圈底部添加材质强度较高的聚甲醛垫圈。

4 密封性与接触应力关系

活塞杆的密封属于往复式动密封,当活塞杆伸出时,杆外圆面上附着的油液并不能完全被密封唇刮除,在杆表面上会形成一层厚度极薄的薄膜。同理,当活塞杆缩回缸体内部时,杆表面的薄膜也不能完全返回,不能返回缸体内的介质体积就是液压缸在往复运动一个周期中所产生的泄漏量。

对该部分泄漏量Vl进行计算,为[9]:

(1)

5 有限元建模

为进一步分析蕾形密封圈的应力分布情况,笔者应用ANSYS有限元软件进行工况模拟。

5.1 模型简化

为提高模型运算效率,减少计算时间,对蕾形密封圈受力模型进行简化[10-11]。

蕾形密封圈的结构、安装和受力均是关于活塞杆中心轴对称的,因此可用二维轴对称模型进行模拟。

由于聚甲醛挡板的作用主要是防止密封挤伤,因此模型中不再加入。O形圈、Y形密封圈材质分别为丁腈橡胶和聚氨酯,设定为弹性体,并且假设两种材质的弹性模量和泊松比在受力过程中不发生改变,总体积不改变。

活塞杆和缸盖的弹性模量相比密封材质足够大,因此简化为刚体。

5.2 边界条件及载荷

设定接触条件，缸盖与密封圈、密封圈与活塞杆分别设定接触对和接触条件。接触算法采用增广拉格朗日乘子法,以降低接触刚度敏感性。

主要密封体材质为聚氨酯，为准确模拟材料非线性特性,单元模型采用近似不可压缩穆尼-里夫林模型。

为模拟密封圈的预压缩状态,应在建模时将活塞杆表面与密封内圈拉开距离,不产生接触,得到蕾形密封圈有限元装配模型，如图3所示。约束缸盖模型的所有自由度,活塞杆仅保留径向运动自由度。模拟第一步,使活塞杆向密封方向移动一定距离,达到预压缩的目的。模拟第二步,在密封圈左端面施加压应力,模拟液体介质的作用。

▲图3 蕾形密封圈有限元装配模型

6 结果分析

6.1 不同载荷工况下平均应力分布规律

为研究不同载荷工况下蕾形密封圈的密封效果,在预压缩量为10%的条件下,分别在密封圈左侧端面上施加5 MPa、15 MPa、30 MPa、60 MPa压应力外载荷,隐藏刚体显示后,密封圈的平均等效应力云图如图4所示。可见，在挤压力作用下,最大压应力出现在上下唇口与金属表面接触位置,且随着外载荷的增大而增大。对比发现,四种载荷对应的唇口位置最大压应力分别为48 MPa、53 MPa、65 MPa、70 MPa,即始终大于外载荷应力,可起到密封作用。但是，压力差值和变化梯度逐渐减小,因此，密封效果会随着外载荷的增大而减弱。

6.2 接触应力分布规律

在预压缩量10%、外载荷30 MPa压应力的作用下,提取密封接触面上的节点接触应力数值,绘制接触应力分布曲线，如图5所示。可见，在主唇口位置出现显著的接触应力峰值,且主唇口之前的压力梯度变化较大,曲线陡峭,而主唇口之后的压力梯度变化趋缓,曲线平缓,这与式(1)所推导的蕾形密封圈最佳密封状态一致,由此可知,所设置的蕾形密封圈结构参数可保证良好的密封性。

另一方面,在密封外侧区域的平均等效应力较小,为进一步提高密封圈的密封性能,可在外侧区域增加副唇结构,与主唇口形状类似。通过局部凸起，在副唇位置产生一定的接触应力峰值,最终在密封界面上形成第二道密封。副唇还可以减小密封圈与活塞杆的接触面积,降低摩擦和密封磨损。需要注意的是，为防止副唇影响主唇口的密封性,应保证副唇的预压缩量小于主唇口。

7 结束语

液压支架在煤矿综合机械化采煤工作面应用广泛。液压支架中，上立柱、千斤顶等缸体的蕾形密封圈属于往复式动密封,在恶劣工况环境下易发生损伤,影响密封性。

▲图4 不同载荷时蕾形密封圈平均等效应力云图▲图5 接触应力分布曲线

为进一步提高液压支架的工作稳定性和可靠性,笔者根据泄漏量理论计算公式,分析了接触应力分布对密封性的影响。应用ANSYS有限元软件建立了蕾形密封圈受力分析模型,模拟结果显示，在不同外载荷条件下,蕾形密封圈的平均应力分布和密封性能随外载荷的变化而变化,但始终满足密封要求,主唇口位置的接触压力峰值和两侧的梯度变化可以达到良好的密封效果。