叶片式摆动液压油缸盖板静态密封设计.pdf

2 0 1 4年 1 1月 第 3 9卷 第 1 1 期 润滑与密封 L UBRI CA ⅡON ENGI NEERI NG NO V ． 2 01 4 V0 1 ． 3 9 No ． 1 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 40 1 5 0 ． 2 01 4 ． 0 1 1 ． 0 1 7 叶片式摆动液压 油缸盖板静态密封设计 谢良喜 田志翔钱文强陈少华李露 武汉科技大学机械 自动化学院湖北武汉 4 3 0 0 8 1 摘要为降低制造与维护成本，选用标准规格的 0型圈作为叶片式液压摆动油缸盖板静态密封，并对密封圈沟槽 结构与尺寸进行优化，以保证静态密封能防止外部和内部泄漏。通过解析计算，初步确定密封沟槽尺寸；建立盖板静态 密封 的有限元模型，进行 三重非线性有限元分析 ，模拟盖板安装到定子上 的过程 中 0型圈的变形及 应力 分布。盖板静 态密封的有限元优化设计基本达到预期目标。 关键词叶片式液压摆动油缸 ； 静态密封 ； 橡胶密封 中图分类号 T H 1 3 7 ． 5 文献标识码 A文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 4 1 1 0 7 8 3 S t a t i c S e a l De s i g n o f a Hy d r a u l i c Ro t a r y Va n e Ac t ua t o r Xi e L i an g x i Ti a n Zh i x i a n g Qi a n W e n qi a n g Ch e n Sh a o h u a L i L u C o l l e g e o f Ma c h i n e r y a n d A u t o m a t i o n ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 8 1 ， C h i n a A b s t r a c t A s t a n d a r d 0- ri n g w a s s e l e c t e d a s t h e s t a t i c s e a l o f t h e c o v e r o f h y d r a u l i c r o t a r y v a n e a c t u a t o r t o d e c r e a s e t h e c o s t o f ma n u f a c t u r e a n d ma i n t e n a n c e ．Th e s e a l i n g g r o o v e s t r u c t u r e a n d d i me n s i o n o f t h e c o v e r s t a t i c s e al wa s o p t i mi z e d t o e n s H l t h a t t h e s t a t i c s e a l i n g c o u l d p r e v e n t b o t h e x t e r n a l a n d i n t e rnal l e a k a g e ． Th r o u g h a n a n a l y t i c a l c alc u l a t i o n，t h e s e a l - i ng g r o o v e s i z e wa s p r e l i mi n a ril y d e t e r mi n e d， a n d a fi n i t e e l e me n t mo d e l wa s b u i l t f o r a t rip l e n o n l i n e a r fi n i t e e l e me n t a n a l - y s i s F E A ．T h e d e f o rm a t i o n a n d s t r e s s d i s t ri b u t i o n o f t h e 0- ri n g i n t h e p r o c e s s o f t h e c o v e r mo u n t i n g t o t h e s t a t o r w e r e s i mu l a t e d b y F EA． T h e a n t i c i p a t e d t a r g e t o f t h e c o v e r s t a t i c s e a l wa s a c h i e v e d b y fin i t e e l e me n t o p t i mi z a t i o n d e s i g n． Ke y wo r d s h y d r a u l i c r o t a r y v a n e a c t u a t o r ； s t a t i c s e a l ； ru b b e r s e a 1 叶片式液压摆动油缸 以下简称摆缸在军事、 船舶、航空、冶金机械等领域具 有广泛 的应用前 景- - 。摆缸的密封性能对液压油缸的性能尤其是可 靠性具有决定性影响。 摆缸的密封系统包括定子叶片密封、转子叶片密 封、旋转密封圈和盖板静态密封，是复杂的多弹性体 混合密封系统 。其中盖板静态密封既要保证盖板 与定子之间形成良好密封，防止外部泄漏，又要与叶 片密封形成过盈交叉，防止摆缸内部高压油腔与低压 油腔相通而形成内部泄漏。因此 ，密封设计面临较大 挑战。从制造维护角度考虑，应优先选用标准规格的 0型圈作为盖板静态密封，而将设计重点放在密封圈 沟槽结构与尺寸的优化上。 为降低盖板静态密封的制造与维护成本，本文作 基金项目国家 自然科学基金项 目 5 1 3 7 5 3 5 2 ． 收稿 日期2 0 1 4 0 2 2 0 作者简介谢 良喜 1 9 7 1 一 ，男，副教授 ，从事机械制造教学 和叶片式 摆 动液 压油 缸密 封 的科 研工 作．E m a i l I x t s e 1 6 3 ．c o rn． 者选用标准规格 的 0型圈设计 了盖板的静态密封， 通过优化确定了密封圈沟槽结构与尺寸。分析结果对 于验证和优化密封沟槽结构与尺寸具有指导意义。 1 盖板静态密封设 计 叶片式液压摆动油缸的结构如图 1 所示，主要包 括盖板 、定 子 、定子 叶片、转子和转子 叶片 ，盖板与 定子之间通过静密封形成封闭空间，使定子叶片和转 子叶片在定子和转子之间形成油腔，液压油作用在转 子叶片上产生扭矩驱动转子旋转 ，通过控制油压方向 实现转子的往复摆动 。 盖板静态密封设计 ，既要保证密封性能可靠 ，又 要兼顾成本低廉，维护方便。如果设计成特殊截面的 专用密封圈，势必制造成本高，制造周期长。因此， 在设计原则上，优先选用标准规格 的 0型密封 圈， 而将设计重点放在密封圈沟槽结构的设计上。通过合 理设计密封圈沟槽结构与尺寸，使 0型圈安装后发 生大的弹性变形，一部分密封橡胶被挤出到密封沟槽 之外 ，与叶片密封形成过盈交叉 ，从而避免 内部泄漏 的发生。要实现这一方案，密封沟槽的结构及尺寸的 优化至关重要。 2 0 1 4年第 1 1 期 谢良喜等叶片式摆动液压油缸盖板静态密封设计 7 9 盖板 静 1 ．盖板 2 ．定 子 3 ．定子 叶 片 4 ．转子 5 。转予叶片 图 1 叶片式液压摆动油缸 Fi g 1 A h y d r a u l i c m诅r y v a n e a c t u a t o r 图2所示为盖板安装到定子上后 ，形成的静态密 封沟槽示意图，其中网格区域为变形后的密封圈截 面 ，也就是密封沟槽 。 图 2 静态密封沟槽示意图 Fi g 2 Th e s t a t i c s e a l i n g g r o o v e 从图2可见 ，当盖板安装到定子上之后 ，两者形 成的静态密封沟槽截面形状大致为矩形。则密封沟槽 的截面积 A 为 A c a b 1 若选用的 0型圈截面直径为 d ，则 0型圈截面积 A 为 A 。 2 叶 密封橡胶在被压缩时，虽然发生大的弹性变形 ， 但其体积基本不会明显缩小 ，因为弹性橡胶泊松比 一0 ． 5 ，属于几乎不可压缩材料。则有 A c A o 3 在选定 O型圈规格尺寸后 ，可根据公式 1 ～ 3 初步确定密封沟槽截面尺寸。注意到图 2中，盖 板前端设计有倒角，盖板和定子转角处均为圆弧过 渡，这是从制造和安装工艺角度考虑而采取的设计， 因此，密封沟槽截面积与矩形面积存在一定差异。此 外 ，O型圈被压缩后 ，虽然发生大的弹性变形 ，但 由 于自身圆角的原因，并不能完全充满密封沟槽。因 此，公式 1 ～ 3 只能用于大致估算密封沟槽尺寸， 尚需进一步分析 ，以确定和评估密封沟槽 的具体结 构。 2 密封沟槽结构的有限元分析 在选定静态密封圈规格后 ，通过公式 1 ～ 3 初步确定密封沟槽尺寸 ，按照制造、安装工艺要求确 定倒角与圆角。 由于 O型圈材料具有非线性、大变形，导致几 何非线性以及接触问题非线性等三重非线性，有限元 分析的收敛性是需要考虑的关键问题。因此，将模型 简化为轴对称二维模型 ，并将盖板、定子等大刚度零 件简化为分析刚体。建立轴对称有限元分析模型如图 3所示 。 图3 盖板静态密封有限元模型 Fi g 3 Fi n i t e e l e me n t mo d e l o f t h e s e a l 该模型 中，O型圈材料为丁腈橡胶或聚氨酯橡 胶 ，它们在小变形条件下 变形量小于 1 0 ％ ～ 1 5 ％ 通常可 以近似为弹性材料 ，其弹性模量为 2 56 0 MP a 。盖板和定子材料均为调质中碳钢，其弹性模量 为 2 1 0 G P a ，远大于弹性橡胶密封圈，因此可以将盖 板与定子设为分析刚体，即在压缩 O型圈中，只考 虑 O型圈的弹性变形，而假定盖板与定子 的弹性变 形为 0 。这样处理有利于降低有限元分析的运算规 模，提高分析的收敛性。 本研究中，O型圈的变形量非常大，应视为非弹 性材料 ，材料应变能的 Mo o n e y R i v l i n多项式 为 1 UC 。 ， 一 3 C o 一 3 J o 一 1 4 U1 式中，相关 M o o n e y - R i v l i n常数取值为 c 。1 ． 8 7 ， C o 。 0 ． 4 7 ， D 0 ． 0 0 1 ，材料的非线性应力 一应变曲 线如图4所示。 8 0 润滑与密封 第 3 9卷 器 坤 口 皇 0 Z No mi n a l s t r a i n 图4 密封橡胶的非线性应力 一 应变曲线 Fi g 4 No n l i n e a r s t r e s s - s t r a i n c u r v e o f the r u b b e r 材料密度P 1 ． 51 0 k g ／ m 。假定 O型圈与盖 板、定子接触面摩擦因数为 0 ． 1 。 边界条件 定子全约束，盖板除可以竖直向下运 动外 ，其他运动均约束。 分析过程分为 2个步骤 S t e p l 盖板竖直 向下运动 ，直到与 O型圈上圆 弧相切。此步为线性运算，以提高求解速度。 S t e p 2 盖板继续竖直向下运动，压缩 O型圈使 之发生弹性变形 ，直到盖板与定子表面重合。此过程 包含非线性接触和 O型圈的大变形 ，因此必须采用 非线性运算。 图5为有限元分析结果。可见，盖板安装到定子 上后 ，O型圈被压缩而发生大的弹性变形，其截面形 状从圆形变为与密封沟槽截面形状相似的近似矩形 ， 部分橡胶被挤出到沟槽外面，因此能与图中左下角的 叶片密封形成交叉过盈 ，表明本密封沟槽设计大致能 达到设计 目标 。 图5 有限元分析结果 F i g 5 T h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s r e s u l t s 定子结构上有 3 个圆弧 ，其中右上角的圆弧处没 有与密封橡胶接触，因此从密封沟槽设计的角度来 说，该圆角对密封件无实质影响。最大应力出现在左 下角圆角处，表明该处圆角对密封件影响最大。本例 中，最大应力只有约 1 5 M P a ，说 明左下角 圆角取值 是合理的。研究表明，定子左下角圆角越小，密封橡 胶在挤出过程中出现的应力集中现象越明显，盖板静 态密封圈的使用寿命和可靠性会有所降低。 盖板结构上有一个倒角和一个圆弧。从图5可以 看出，盖板上的圆弧对密封件的应力分布是有影响 的。圆弧大一些，应力集中情况会改善一些。盖板倒 角则对密封橡胶顺利挤出是有利的。盖板倒角处，密 封件存在轻微应力集中，可以考虑在该处设计圆角， 以进一步改善应力集中现象。 3结论 1 利用弹性橡胶的不可压缩性 ，通过橡胶密 封变形前后的截面积计算 ，初步确定了密封沟槽的大 致尺寸，考虑制造与安装工艺性 ，建立了盖板静态密 封的有限元模型。 2 实例分析结果表明，有 限元优化设计基本 达到预期目标。有 限元分析结果反映了安装后 O型 圈的变形情况，应力的分布情况反映了倒角、圆角等 工艺细节对设计质量的影响。 参考文献 【 1 】 刘新德． 袖珍液压气动手册 2版[ M] ． 北京 机械工业出版 社， 2 0 0 6 ． 【 2 】金忠． 水下七功能机械手摆动液压缸的研究[ D ] ． 沈阳 中 国科学院沈阳 自动化研究所 ， 2 0 0 7 ． 【 3 】N i k a s G K ． M o d e l i n g a n d o p t i m i z a t i o n o f r o t a r y v a n e s e a l s [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t it u t i o n o f Me c h a n ic a l E n g i n e e r s P a r t J J o u r n al o f E n g i n e e ri n g T r i b o l o g y ， 2 0 0 7 ， 2 2 1 6 6 9 9 7 1 5 ． 【 4 】X i e L ， K o n g J ， J i a n g G， e t a 1 ． S t u d y o f c o n t a c t s t r e s s a n d e x t r u s i o n o f v a n e s e a l v i a n u m e ri c a l a n d F E A m e t h o d [ c ] ／ ／ P r o c e e d - i n g s o f t h e Th i r d I EEE I n t e rna t i o n al Co n f e r e n c e o n I n t e l l i g e n t C o m p u t a t i o n T e c h n o l o g y a n d A u t o m a t i o n I C I C T A 2 0 1 0 ． C h a n - g s h a， Ch i n a， Ma y 1 11 2， 2 01 0． 【 5 】X i e L i a n g x i ， K o n g J i a n y i ， Q i a n L i ， e t a1． S t u d y o n E H L fi l m t h i c k n e s s o f n o n rec t a n g u l a r s e c ti o n v a n e s e a l [ J ] ． A p p l i e d M e c h a n i c s a n d Ma t e ria l s， 2 01 1， 63 ／ 6 4 1 0 21 05 ． 【 6 】谢良喜， 孔建益， 蒋国璋， 等． 预压缩量对叶片密封可靠性的 影响研究 [ J ] ． 润滑与密封， 2 0 1 2 ， 3 7 4 7 8 8 1 ． X i e L i a n g x i ， K o n g J i a n y i ， J i a n g Gu o z h a n g ， e t a1． E f f e c t s o f t h e i n i t i a l i n t e r f e r e n c e of v a n e s e a l s t o s e a l e d r e l i a b i l i t y [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 2 ， 3 7 4 7 8 8 1 ． 【 7 】谢良喜， 孑 L 建益， 蒋国璋， 等． 叶片密封圆角对密封面接触压 力的影响研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 2 ， 4 0 2 1 5 1 5 4 ． X i e L i a n g x i ， K o n g J i a n y i ， J i a n g G u o z h a n g ， e t a1． S t u d y o n t h e e f f e c t s o f t he fi l l e t o f v a n e a n d v a n e s e als t o c o n t a c t p r e s s u re [ J ] ． Ma c h i n e T o o l ＆H y d r a u l i c s ， 2 0 1 2 ， 4 0 2 1 5 1 5 4 ． 【 8 】谢良喜， 孔建益， 万晓红． 矩形截面叶片密封可靠性和机械 效率的数值研究[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 9 ， 3 4 7 5 4 5 7 ． Xi e L i a n g x i ， Ko n g J i a n y i ， W a n X i a o h o n g ． N u me ri c a l Re s e a r c h o n s e ale d r e l i a bi l i t y a n d me c h a n i c al e ffi c i e n c y of v a n e s e a l s [ J ] ． L u b ri c i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9 ， 3 4 7 5 4 5 7 ．