液压支架立柱Y形密封圈的有限元分析.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． O 6 ． 2 01 3 液压支架立柱 Y形密封圈的有限元分析 张 唏 ． 任 丹丹 中国矿业大学 北京 ， 北京1 0 0 0 8 3 摘 要 为 了在密封 圈投入使用之前就 可以了解 它的性能 ， 该文选取 常用 的聚氨酯 Y形密 封圈 ． 利 用有 限元分析软件建立 Y形密封圈 的模型 ， 模拟密封圈的工作环境。得 出 Y形 圈在各种工作压力下的变形与受力情况 ， 总结 Y形 圈的变形及受力规律． 以及 密封圈可能 出 现裂纹的位置。 关键词 Y形密封圈 ； 有 限元 分析 ； V o n Mi s e s 应力 ； 接触应力 中图分类号 T B 4 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 6 0 0 6 5 0 3 F i n i t e El e m e n t An a l y s i s o f Y S e a l P i n g f o r Hy d r a u l i c S u p p o r t Po s t Z HANG Xi ， RE N Da n d a n C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o u n d e r s t a n d i t s p e r f o r ma n c e b e f o r e s e al tin g s p u t i n t o u s i n g ，t h i s a r t i c l e s e l e c t s t h e c o mmo n l y u s e d p o l y u r e t h a n e y- r i n g ， E s t a b l i s h e s a mo d e l o f Y- ri n g u s i n g f i n i t e e l e me n t a n aly s i s s o f t wa r e a n d s i mu l a t e s s e a l rin g w o r k e n v i r o n me n t ． T h e d e f o r ma t i o n a n d s t r e s s o f Y rin g i n d i f f e r e n t o i l p r e s s u r e we r e a n aly z e d b y u s i n g f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o ft wa r e ． S u mma r y t h e d e f o rm a t i o n a n d s t r e s s l a w a n d t h e p o s s i b l e c r a c k p o s i t i o n s o f Y ri n g ． Ke y wo r d s Y s e a l r i n g； f i n i t e e l e me n t a na l y s i s ； Vo n - Mi s e s s t r e s s ； c o n t a c t s t r e s s 0 引言 液压支架是综采工 作面的重要设备 ．它的安全性 也尤为重要 立柱千斤顶 的密封性能在液压支架的使 用中占主要作用 ． 它的主要失效方式就是漏液 。 漏液不 仅污染了周 围环境 ． 还影响综采工作面的生产效率 。 给 操作管理造成很 多麻烦 ， 严重 时支架毁坏 ， 产生危 险。 造成漏液现象有很多原因 ．其 中最主要 的就是密封件 质量不行 。液压系统 中活塞 、 柱塞和活塞杆密封 中都有 Y形圈的使用 为了模拟 Y形圈在实际工作 中的情况 ． 一 般 内、外唇都有一定 的过盈量 。这样在装入沟槽 中 时 ． 密封唇就会产生一定 的预应力 。 达到密封 的效果 。 当开始工作 时 ． 系统 内部有压力 ， Y形圈被压缩 。 由于 其特殊的形状 ．将产生圆周方 向的变形 ，产生接触压 力 。压力越大 。 Y形 圈的变形和接触压力也越大 ， 从而 达到 自密封效果[ ” ． 本文根据设计手册选 出一种 Y形密 封圈 。一直 以来 ， 都是让密封 圈进行工作 ， 或者通过试 验来检测它的性能。这样会浪费很多的时间、 精力以及 成本 ． 而且效率低 。为了在密封圈投入使用之前就可以 了解它的性能 ．本文提出用软件来模拟密封圈的工作 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 0 4 作者简 介 张 唏 1 9 6 6 一 ， 男 ， 河 南焦作 人 ， 教授 ， 博 士 ， 研究方 向 矿 山机 械、 流体传动与控制 、 测试计量技术与仪器 。 情况 ．通过得 出的数据来分析密封 圈的应力和接触应 力 ． 从而为密封圈的设计和生产提供了依据 1 有限元模型的建立 本文选取了聚氨酯 Y形密封圈 ．这种材料与橡胶 类似 ， 都属 于高弹性体 ， 高弹性体材料是一种非线性材 料 ， 包括几何非线性 、 材料非线性和接触非线性。从 Y 形圈的模型特点以及受力特点 ， 都是成轴对称 的回 ． 所以 本文的有限元模型只选取 Y形圈及沟槽的截面模型 1 ． 1 几何模型 、 材料模型的建立 Y形 圈在沟槽中被挤压 ． 而聚氨酯材料和金属材料 的接触 问题 可 以看成 超弹性 体和 刚体 之间 的接触 问 题 。所以 ， 密封圈的有 限元分析实际上是对超弹性体进 行非线性接触分析 建模时可以将缸体与沟槽设计成 刚体 ． 而密封圈设计成可变形体。建立 的有限元模型如 图 1 所 示 图 1 Y形圈的有限元模型 Y形圈有限元分析的材料选择聚氨酯材料 ， 聚氨酯 65 液 压 气 动 与 密 - ／ 2 0 1 3年 第 0 6期 材料 的密度 2 x l 0 t ／ m m3 。对于这种高度非线性材料用 M o o n e y R i v l i n 模型来描述， 本文作如下假设 ①密封圈 具有确定的弹性模量 E和泊松 比 ②聚氨酯密封圈材 料拉伸与压缩 的性质相同l 3 _ ； ③密封圈的变形不引起体 积的变化 超弹性材料的应变能密度函数为 W C 1 0 ， 1 - 3 C o l 1 2 - 3 式中C 0 和 厂_ Mo o n e y _ R i v l i n n系数 ， 均为正定常数。 ， l ， 第 1 、 第 2形变张量的应变不变量。 可从实验获得 的经验公式中根据聚氨酯材料 的硬 度 或弹性模量 计算 得出 ， 本文使用 的 C 。 和 C 。 分别 为 1 ． 8 7和 0 ． 4 7 。 1 _ 2接触问题 、 边界条件 以及加载方法 密封圈 的密封能力 是 由接触压力 的大小决定 的 ． 接触压力越大， 密封性能越好。保证密封性能 的条件就 是密封面的接触压力不小于当时的工作油压。所以． 密 封的接触压力 的最大值是保证密封的条件[5 1 在对 Y形密封圈进行有限元分析时．要考虑到密 封圈的安装过程， 所以要分两个分析步进行加载 ①将 刚体边界沟槽和缸沿 Y形圈径 向移动 ， 模拟装配过程 ②对密封圈施加压力， 模拟密封圈的工作情况。 2 数据分析 2 ． 1 Y形密封圈在初始压缩量下的应力分布 模拟装配过程中 ， Y形密封圈与压缩量取 2 ． 2 m m。 形变形式 ，应力以及接触应力其压缩形变、 V o n - Mi s e s 应力以及接触应如图 2 、 图 3所示。 从图中可以看出． 最 大应力 出现在左右唇交汇处 最大 V o n Mi s e s 应力 2 9 ．2 MP a 图 2 Y o n Mi s e s应 力分布 最大接触应力 2 2 ．2 1 MP a 图 3接触应力分布 2 - 2 Y 形密 封 圈在 工 作 中的 V o n Mi s e s应 力 V o n Mi s e s 应力代表 Y形 圈截面上各主应力差值 的大小。应力值越大的区域 ， 材料越容易出现裂纹 而 且应力越大 ， 材料越容易松弛 ， 从而造成“ 刚度 ” 下降。 本 文 中选 取油 压 P 2 5 ， 3 1 ． 5 ， 5 0 ， 9 0 ． 1 0 0 MP a五个 不同的压力值分析密封圈的应力值 ．具体统计数据如 表 1所示 。 从表 1 可 以看 出， 随着工作压力的增加 ． 最大 V o n Mi s e s 应力值逐步增加 。不同压力下 Y形圈 的变形及 6 6 V o n Mi s e s 应力分布如图 4 、 图 5所示。 图 4为低压时的 V o n Mi s e s 应力分布。 表 1 加载 时的各种压力 MP a 图 5为高压时的 V o n Mi s e s 应力分布。与低压相 比， 工作压力大了， Vo n M i s e s 应力也变大了， 最大值 已 经达到 了 1 1 4 ． 3 MP a ．同时也能够明显 的看 出最大值出 现 的位置 ． 主要出现在左右唇交汇处。这个地方是最容 易出现裂纹 的。 图 4 p 2 5 MP a时的应力分布 图 5 p 1 0 0 MP a时的应力分布 2 ． 3加载时 Y形密封圈的接触应力分析 左右唇为 Y形圈的密封面 ．把工作压力分为 5个 等级 ．工作压力下的最大接触应力如表 1以及 图 6所 示 。可 以看出 油压增加 。 最大接触应力也随之增加。 图 7为 p 2 5 MP a时上下唇部接触压力变化 图 ， 接 触压力分布呈类似二次曲线变化。 ⋯ 一 最大接触／ MP a 至 ／一 出 镬 辎 嗌 油压压力值／ MP a 图 6不 同压 力下 的接触应力 上唇部接触压力 4 5 r - ⋯ 话 媾鼬 4 0 3 5 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 5 O 图 7 p 2 5 MP a时 Y形 圈上下唇 的接触压力 注 图中横坐标指的是不同的位置 以上分析还发现了如下问题①虽然最大接触应 ∞ 自苣R 嚣{ 鲆 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 6 ． 2 01 3 基于 A b a q u s的杆密封失效分析及优化设计 闫志旭 ． 刘建红 广州机械科学研究 院有 限公司， 广东 广州 5 1 0 7 0 0 摘要 国内某工程机械制造企业的一种主油缸是一种 高压高速 的油缸 ， 对密封件 的要求较高 ， 容易 出现泄漏 、 使用寿命较短等问题 ， 其 活塞杆密封采用了特殊 的沟槽配置 ． 在寿命实验 中常规密封件过早出现失 效现象 ， 无法满足使用寿命要求 。通过 A b a q u s 对失效 的密封 进行模拟分析 ， 找 出造成密封失效的主要 原因 ， 再针对现有 密封 的缺点进行优化设 计 ， 在保证密封效果 的前提下延长密封 的使用寿命 。 关键词 杆密封 ； 失效分 析 ； 优化设计 ； A b a q u s 中图分类 号 T B 4 2 文献 标识码 A 文章编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 6 0 0 6 7 0 3 F a i l u r e An a l ys i s a nd Op t i mi z a t i o n De s i g n o f Rod S e al Ba s e d o n Ab a q u s YAN Z h i - x u， L I U 虢 一 h o n g G u a n g z h o u Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ． ，L t d ． ，G u a n g z h o u 5 1 0 7 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n a d o me s t i c c o n s t r u c t i o n ma c h i n e r y ma n u f a c t u ri n g e n t e r p ris e ， a k i n d o f ma s t e r c y l i n d e r i s a c y l i n d e r o f h i g h- p r e s s u r e ， h i g h s p e e d， h i g h r e q u i r e me n t s f o r s e a l s ， i t ’ S p r o n e t o l e a k a g e ，s h o r t l i f e a n d o t h e r i s s u e s ， i t ’ S r o d s e a l a d o p t s a s p e c i al g r o o v e c o n fi g u r a t i o n ， t h e r e i s a c o n v e n t i o n a l s e a l s p r e ma t u r e f a i l u r e p h e n o me n o n i n t h e l i f e t e s t ， i t c a n’ t me e t t h e s e r v i c e l i f e r e q u i r e me n t s ． T h rou g h Ab a q u s o n the f a i l u r e o f s e ali n g s i mu l a t i o n a n aly s i s， fi n d o u t t h e ma i n rea s o n c a u s i n g t h e s e a l f a i l u r e ， a n d t o o p t i mi z e t h e d e s i g n for t h e s h o r t c o mi n g s o f t h e e x i s t i n g s e al， t o p r o l o n g the s e r v i c e l i f e o f t h e s e a l u n d e r t h e p r e mi s e o f e n s u ri n g t h e s e a l i n g e f f e c t ． Ke y wo r d s rod s e a l ； f a i l u r e a n aly s i s ； o p t i mi z a t i o n d e s i g n； Ab a q u s 0 引言 近年来 国内工程机械行业快速发展 ．同时也刺激 和带动 了相关配套零部件产业 的发展 。密封件作为工 程机械 的关键零部件 ．也迎来 了一个 良好的发展环境 基金项 目 国家科技支撑计划 2 0 1 1 B AF 0 9 B 0 6 收稿 13期 2 0 1 2 1 0 1 8 作者简介 闰志旭 1 9 8 4 一 ， 男 ， 河南 巩义人 ， 工程 师 ， 学士 ， 从 事橡塑密封 产品的设计与开发 。 - - 一 一 一* 一 一 一 * 一 一 一 一 - ● 一- - 一 - - 一 一 一- 一- _ 卜- 一 - 和机遇 目前 国内的工程机械行业的关键部位 的密封 件主要依赖进 口， 但是进 口密封件通常价格 昂贵、 供货 周期长、 反应速度慢 ， 因此激发 了部分工程机械制造企 业与国 内密封制造企业合作开发密封件 ．密封制造企 业根据工况条件及使用要求研制密封件 ．工程机械制 造企业通过实验验证该密封是否满足其密封效果及使 用寿命要求 本文论述 了通过 A b a q u s 对 国内某工程机 械制造企业使用的一种进 口杆密封的失效进行模拟分 力不小于油压 ， 但有时左右唇 的有效接触长度并不长 ； ②有时，与缸体接触的唇的最大接触应力与油压差不 多 。 这就导致实际应用时 ， 可能出现漏液现象 。所 以应 当适 当改进 Y形圈的形状及尺寸 ． 保证密封 的条件 时， 还要增加密封面的长度 ． 使密封更可靠 。 3 结论 1 通过有 限元分析 。 实现 了对所选的 Y形聚氨酯 密封圈的有限元分析 ．对 Y形密封圈的设计 和选型提 供了帮助 2 施加不 同的工作油压 ， 得到 Y形密封 圈的应力 分布图 ．这样可 以在计算机中预测 Y形圈的断裂失效 区域。 3 通过对不 同工作压力下 Y形密封圈唇部 的接 触压力数据分析 ．得 出 Y形圈在各种工作压力下 的变 形与受力情况 ． 总结 Y形圈的变形及受力规律 ． 以及密 封圈可能出现裂纹的位置 为聚氨酯密封结构 的优化 设计提供依据 ， 具有工程应用价值 。 参考 文 献 『 1 ] 徐灏． 密封『 M1 ． 北京 冶金工业 出版社， 2 0 0 5 ． 『 2 1 周恩涛， 李建勋， 林 君哲． 液压缸活塞 密封性 能的有 限元分析 [ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 6 ， 4 4 ． 『 3 1 徐红波 ， 喻九 阳 ， 常跃 ， 熊智强 ． O形 密封 圈的非线性 有 限元 分析『 J 】 ． 武汉工程职业技术学 院学报 ， 2 0 0 6 ， 1 8 4 2 1 2 3 ． 『 4 1 王伟， 邓 涛 ， 赵树高 ． 橡 胶 Mo o n e y - R i v l i n模 型 中材料 常数 的 确定[ J ] ． 特种橡胶制品 ， 2 0 0 4 ， 2 5 4 8 1 0 ． 『 5 1 杨建 勇， 张赞牢， 谌彪， 储著专． 有限元分析 法在 Y X形 橡胶密 封圈设计中的应用【 J ] ． 后勤工程学院学报， 2 0 0 9 ， 2 5 3 ． 6 7