Yx形液压密封圈的有限元分析及结构优化：.pdf

2 0 1 1 年 7月 第 3 6卷 第 7期 润滑与密封 LUBRI CAT 1 0N ENGI NE ERI NG J u l y 2 01 1 V0 1 ． 3 6 No ． 7 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 40 1 5 0 ． 2 0 1 1 ． 0 7 ． 0 1 6 Y x形液压密封 圈的有 限元分析及 结构优化 于润生杨秀萍 天津理工大学机械工程学院天津 3 0 0 3 8 4 摘要 应用超弹性理论和非线性理论 ，采用有限元 方法对 Y x 形 液压密封圈的性能进行模拟 ，分析其失效的位置和 模式 ，研究参数对密封性能的影 响，提出结构优化模型 。结果表明 Y x 形密封圈工作时最大应力出现在上下唇交汇处 ， 变形最大区域发生在 Y x 形开口靠近内唇处，其根部有较大的接触压力，并且可能发生咬伤现象；介质压力增大时，剪 应力和最大接触压力明显增加；最大变形随初始压缩率的增加而线性增大，最大剪应力在压缩率为 2 0 ％时达到最大； 槽 口圆角半径对 Y x 形密封圈密封性能的影响很小；摩擦因数增大时，最大剪切应力明显增加，但最大变形和最大接触 压力都有减小的趋势。结构尺寸优化后，密封性能增强，接触宽度明显减小，密封圈根部摩擦和磨损得到改善，可以提 高密封圈的使用寿命。 关键词 Y x 密封圈 ；非线性 ；有 限元 ；结构优化 中图分类号T B 4 2 文献标识码A文章编号 0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 1 7 0 6 6 4 Fi n i t e El e me n t Ana l y s i s a n d Op t i m i z a t i o n De s i g n o f Yx S ha p e Hy dr a ul i c S e a l i ng Ri ng Yu Ru n s h en g Ya n g Xi u p i n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T i a n j i n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T i a n j i n 3 0 0 3 8 4 ， C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n s u p e r e l a s t i c i t y t h e o r y a n d n o n l i n e a r t h e o ry ， t h e p e rfo r ma n c e s o f Yx s h a p e h y d r a u l i c s e a l i n g r i n g， s u c h a s t h e s e a l i n g r i n g d e f o rm a t i o n， t h e c o n t a c t p r e s s u r e a n d s t r e s s we r e s i mu l a t e d b y fin i t e e l e me n t me t h o d， t h e f a i l u r e p o s i t i o n a n d p a t t e r n s we r e a n a l y z e d， t h e e f f e c t o f p a r a me t e r s o n s e a l i n g p e rf o rm a n c e we r e s t u d i e d， t h e s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n mo d e l wa s p u t f o r wa r d ． Re s u l t s s h o w t h a t t h e b i g g e s t s t r e s s a p p e a r s i n t h e i n t e r s e c t i o n o f l i p s ． t h e l a r g e s t d e f o rm a t i o n O C c u r s i n Yx s ha p e o p e n i n g s n e a r i n n e r l i p， a n d t h e r o o t o f s e a l i n g r i n g h a s l a r g e r c o nt a c t p r e s s u r e ， wh i c h c o u l d r e s u l t i n b i t e p h e n o me n o n ． Th e s h e a r s t r e s s a n d ma x i mu m c o n t a c t p r e s s u r e i n c r e a s e s i g n i fic a n t l y wi t h t h e i n c r e a s e o f me d i u m p r e s s u r e ． Th e ma x i mu m d e f o rm a t i o n i n c r e a s e s l i n e a r l y wi t h t h e i n c r e a s e o f i n i t i a l c o mp r e s s i o n r a t i o， ma x i mu m s h e a r s t r e s s r e a c h e s t o t h e maxi mu m wh e n t h e c o mp r e s s i o n r a t e i s 2 0％ ． No t c h fil l e t r a d i u s o f Yx s h a p e s e a l i n g rin g h a s a l i t t l e e f f e c t o n s e a l pe r f o rm a n c e ． W i t h t h e i n c r e a s e o f f ric t i o n c o e ffic i e n t ， t h e max i mu m s h e a r s t r e s s i n c r e a s e s s i g n i fi c a n t l y， b u t t h e max i mu m d e - f o r ma t i o n a n d max i mu m c o n t a c t p r e s s u r e d e c r e a s e ． Af t e r s t r u c t u r e s i z e o p t i mi z a t i o n， t h e s e a l i n g p e rf o r ma n c e o f Yx s h a p e h y d r a u l i c s e a l i n g r i n g i s i mp r o v e d， t h e c o n t a c t wi d t h i s de c r e a s e d g r e a t l y， t h e f r i c t i o n a n d we a r o f s e a l i n g r i n g r o o t i s i m p r o v e d， a nd t h e s e r v i c e l i f e o f s e a l i n g i s p r o l o n g e d． Ke y wo r d s Yx s e a l i n g rin g； n o n l i n e a r i t y； f i n i t e e l e me n t ； s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n 液压密封圈是液压系统防止泄漏 ，提高容积效率 的重要元件 。随着科学技术 的迅 速发展 及工业水平的 提高 ，对密封圈的性能和质量要求越来越高。合理的 密封圈结构对提高密封性能和使用寿命具有重要意 义。Y x 形密封圈依靠其唇边部分受流体压力作用后， 与被密封面紧密接触来进行密封的，主要用于往复运 基金项目天津市 自然科学基金资助项 目 0 3 3 7 0 0 2 1 1 ． 收稿日期2 0 1 1 0 1 1 0 作者简介于润生 1 9 8 5 一 ，男 ，硕士研究生 ，研究方向为机 械设计及理论．E m a i l y r s 5 0 1 1 6 3 ． C O B ． 动 的密封 。本文作者 应用超 弹性 理论 和非线 性理 论 ， 采用 有限元 软件 A N S Y S 对 Y x 形液压密封 圈的性 能进 行模拟，分析其失效的位置和模式，研究结构参数和 工作参数对密封性能的影响 ，提出了结构优化模型并 进行模拟和分析。 1 Y x形橡胶密封圈的计算模型 1 ． 1 橡胶材料模 型 假设 1 Y x形密封圈材料具有确定的弹性模 量 E和泊松比 ；温度变化不大时，材料性质不变 ； 2 Y x 形密封圈受到的纵向压缩视为由约束边界的 指定位移引起的； 3 蠕变不引起体积变化。 2 0 1 1 年第 7期 于润生等Y x形液压密封圈的有限元分析及结构优化 6 7 橡胶材料选为丁腈橡胶 ，其力学模型表现为复杂 的材料非线性 、接触非线性和几何非线性 ，目前普遍 采用的橡胶材料模型为 近似不可压缩弹性材料 的 Mo o n e y ． R i v l i n 模型，本文作者采用两常数的 M o o n e y R i v l i n 模型，应变能函数为 ， ， 1 2 C 。 ， 一3 C 。 L 一3 1 式中W为修正的应变能；C 。 。 和 c 。 为 R i v l i n系数， ， ，， 2 分别为第 1 、2 G r e e n 应变不变量。 C 1 。 和 c 按下式确定 l g E 0 ． 0 1 9 8 H 一0 ． 5 4 3 2 2 E 6 C C o 3 C o l ／ C 100 ． 2 5 4 式中日为材料硬度 ；E为弹性模量；已知橡胶的硬 度为 8 5 ，根据公式 2 ～ 4 可计算得到弹性模 量 E1 3 ． 8 MP a ；C1 01 ． 8 4 MP a ；C o 10 ． 4 6 MP a ； 取泊松 比 0 ． 4 9 9 。 1 ． 2有限元模型 图 1 a 给出了公称直径 5 6 m m的轴用 Y x 形密 封圈几何尺寸 j 。密封圈与安装槽、活塞杆组成轴对 称结构， 在理想情况下 ，密封圈沿轴线方向的载荷也 是轴对称的，因此计算模型采用平面轴对称模型，对 密封圈的研究由三维简化为二维问题 ，有限元模型如 图 1 b 所 示。橡 胶 材 料 采 用 超 弹 性 单 元 P L A N E 1 8 3 ，活塞杆和安装槽采用 P L A N E 8 2单元 ，材 料的弹性模量 E 2 1 0 MP a ，泊松比 0 ． 3 ，其表 面简化为 刚体边 界，在 密封圈唇 口方 向施加液体 压力。 密 5 ． 9 5 L ’ ＼ ’ l 封 槽槽 口 图 1 Y x 形密封圈截面尺寸 a 和有限元模型 b F i g 1 Yx s h a p e s e a l i ng r i n g s e c t i o n s i z e a a n d f i n i t e e l e m e n t m o d e l b 1 ． 3接触 问题 密封圈和沟槽的接触采用接触单元 C O N T A 1 7 2和 目标单元 T A R G E 1 6 9 ，活塞杆和沟槽面在 3个接触对 中作为主接触面，Y x 形圈的接触区域作为从接触面。 采用库伦摩擦模型 ，摩擦因数参照文献 [ 3 ]确定。 产生接触的两物体必须满足无穿透约束条件，其 方法有常规 L a g r a n g e 法、罚方法、增广 L a g r a n g e 乘子 法等。由于 Y x 形密封圈内唇短边和密封面接触处尺 寸较小 ，且存在尖角，为避免接触对互相渗透，这里 采用常规 L a g r a n g e 法 。 1 ． 4边界条件及加 载方法 约束安装槽的所有 自由度和活塞杆的垂直 自由 度。加载分为2个载荷步 第一步 ，利用活塞杆位移 来模拟 Y x 形橡胶密封圈的安装过程，使 Y x形圈处 于压缩状态；第二步 ， “ 安装”结束后，在 Y x形圈 的唇部开 口处逐步施加油压载荷 ，以模拟液压油的 作用 。 2 模拟结果分析 当压缩率 为 2 5 ％ ，介质压力P为4 M P a ，摩擦 因数／为0 ． 3 ，密封槽槽口圆角半径 为 0 ． 2 m m时， 得到密封圈的变形、应力以及接触压力分布如图 2 4所示。密封圈的失效准则 为 1 最大接触压应力准则 最大接触压应力小 于工作内压时，会造成介质外泄，密封圈失效。 2 最大剪切应力准则 保证密封下的剪切应 力满 足 O r [ ] 5 式中 为密 封圈在 工况下所 受 的最大剪 应力 ； [ r ]为橡胶材料的许用抗剪强度，[ r ] 4 ． 6 M P a 。 图2 剪切应力和 M i s e s 应力图 M P a F i g 2 C o n t o u r o f s h e a r s t r e s s a n d M i s e s s t r e s s M P a 图 3 变形图 m m F i g 3 C o n t o u r o f d i s p l a c e m e n t m m 6 8 润滑与密封 第 3 6卷 1 一 1 『r 』 图4 接触压力分布云图 MP a F i g 4 C o n t o u r o f c o n t a c t p r e s s u r e M P a 由图 2～ 4可以看 出最 大 剪切 应 力和 Mi s e s 应力 都出现在上下唇交汇处 ，变形最大区域发生在 Y x 形 开口靠近内唇处 ；根部有较大的接触压力，因此密封 圈破坏模式应为两唇交汇区域因压缩后的最大应力导 致失效以及根部的磨损或咬伤导致密封圈失效。 由于 o r 为 2 ． 4 MP a ，没有超过材料的许用抗剪 强度 ；接触压力为 8 ． 6 MP a ，大于介质压力 ，故该工 况下密封圈没有失效。 3 参 数对 密封性能的影响 利用上述模型，研究结构参数和工作参数对密封 性能的影 响。 3 ． 1 贪 表 】玉力P 密封圈的最大变形、剪应力、Mi s e s 应力和接触 压力随介质压力的变化曲线如图 5所示。压力增大 时，最大变形增加不明显 ；但剪应力明显增加，当P 大于 1 5 M P a 时，剪应力超过 [ r ]而发生剪切失效； 压力 P超过 5 M P a后 ，Mi s e s 应 力基本 不变 ，最大 接 触压力随介质压力呈线性增长 ，但始终大于介质压 力 ，能保证密封性能，但接触宽度也随之增加，摩擦 力增大，磨损严重，会影响密封圈的寿命。 介 质压 力p ／ MP a a 介质压力p ／ MP a b 图5 介质压力对密封性能的影响 F i g 5 Eff e c t o f me d i u m p r e s s u r e o n s e a l p e r f o r ma n c e s 3 ． 2初 始 压 缩 率 W 图 6 示出了初始压缩率与最大剪应力、最大接触 压力 、最大 Mi s e s 应 力 和最 大变形 之 间 的关 系 曲线 。 最大变形随初始压缩率的增加而线性增大 ，最大剪应 力在压缩率为 2 0 ％时达到最大 1 ． 6 3 M P a ，小于抗剪 强度，没有失效 ，然后减小 ，初始压缩率 W1 5 MP a 时，剪应力超过 [ 7 _ ]而发生剪切 失效 ；压力 P超过 5 M P a 后 ，M i s e s 应力基本不变 ， 最大接触压力随介质压力呈线性增长，但始终大于介 质压力 ，能保证密封性能 ，但接触宽 下转第7 4页 7 4 润滑与密封 第 3 6卷 2 no S 2 - S b O ， 复合薄膜在真空下具有比大气 下更稳定的摩擦学性能，更长的耐磨寿命。 3 提 高溅 射原子 能量 能有效地 提 高 M o S ． S b 0 复合薄膜的承载性能，减少薄膜的内应力，提 高薄膜的附着力，提高薄膜的耐磨寿命。 参考文献 【 1 】F l e i s c h a u e r P D， H i l t o n M R ． A p p l i c a t i o n o f s p a c e t r i b o l o g y i n t h e U S A[ J ] ． T r i b o l o g y I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 9 ， 2 3 1 3 5 1 3 9 ． 【 2 】M u r a t o r e C ， V o e v o d i n A A ． C o n t r o l o f m o l y b d e n u m d i s u l fi d e b a s a l p l a n e o rie n t a t i o n d urin g c o a t i n g g r o wth i n p u l s e d ma g n e t r o n s p u t t e ri n g d i s c h a r g e s [ J ] ． T h i n S o l i d F i l m， 2 O 0 9 ， 5 1 7 5 6 0 55 61 0． 【 3 】R e n e v i e r N M， F o x V C ， T e e r D G， e t a 1 ． C o a t i n g c h a r a c t e ri s t i c s a n d t r i bo l o g i e a l p r o p e r t i e s o f s p u t t e r - d e p o s i t e d Mo S2 ／me t a l c o mpo s i t e c o a t i n g s d e po s i t e d b y c l o s e d fie l d u n b a l a n c e d ma g - n e t r o n s p u t t e r i o n p l a t i n g [ J ] ． S u rf a c e a n d C o a t i n g s T e c h n o l o g Y． 20 00． 1 2 7 243 7． 【 4 】Z a b i n s k i J S ， D o n l e y M S ， Wal c k S D ． T h e e f f e c t s o f d o p a n t s o n t h e c h e m i s t r y a n d t r i b o l o g y o f s p u t t e r - d e p o s i t e d M o S 2 fi l m s [ J ] ． Tr i b o l o g y T r a n s a t i o n s， 1 9 9 5， 4 8 9 49 0 4． 【 5 】周晖， 温庆平， 桑瑞鹏， 等． 溅射沉积 M o S 薄膜中掺杂 T i 对 其结构与性能的影响研究[ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 6 ， 3 1 1 1 212 7． Z h o u H u i ， We n Q i n g p i n g ， S a n g R u i p e n g ， e t a 1 ． S t u d y o f s t r u c t u r e a n d me c h a ni c al p e rfo r ma n c e c h a n g e s a ff e c t e d b y d o p i n g Ti i n s p u t t e r e d M o S 2 c o a t i n g [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， 3 1 1 1 2 12 7 ． 【 6 】F e n k e r M， B a l z e r M， K a p p l H， S a r an A ． C o r r o s i o n b e h a v i o u r o f Mo S 一 b a s e d c o a t i n g s d e p o s i t e d o n t o h i g h s p e e d s t e e l b y ma g n e - t r o n s p u t t e ri n g [ J ] ． S u rf a c eC o a t i n g s T e c h n o l o g y ， 2 0 0 6 ， 2 0 1 4 0 9 9 41 0 4． 【 7 】H u J J ， B u h m a n J E ， Z a b i n s k i J S ． M i e r o s t r u e t u r e a n d l u b fi c a t i o n m e c h a n i s m o f m u h i l a y e r e d Mo S 2 ／ S b 2 O 3 t h i n fi l m s [ J ] ． 一 b o l o g y L e t t e r s ， 2 0 0 6 ， 2 1 2 1 6 9 1 7 4 ． 【 8 】周晖， 温庆平， 郝宏， 等． 非平衡磁控溅射沉积 M o S 一 T i 复合 薄膜结构与摩擦磨损性能研究 [ J ] ． 摩擦学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 6 2 1 8 31 8 7 ． Z h o u H u i ， We n Q i n g p i n g ， H a o H ang ， e t a 1 ． S t u d y o f s t r u c t u r a l a n d t r i b o l o g y p r o p e r t i e s o f Mo S 2 - T i c o mp o s i t e c o a t i n g de p o s i t e d b y u n b al a n c e d m a g n e t r o n s p u t t e r [ J ] ． T r i b o l o g y ， 2 0 0 6 ， 2 6 2 1 8 31 8 7． 【 9 】S c h a rf T W， K o t u l a P G， P r a s a d S V ． F ri c t i o n a n d w e a r m e c h a n i s m s i n M o S 2 ／ S b 2 O 3 ／ A u n a n o c o m p o s i t e c o a t i n g s [ J ] ． A c t a Ma t e r i a l i a， 2 01 0， 5 8 41 0 04 1 0 9． 【 1 O 】R o b e rt s E W． T h i n s o l i d l u b ri c a n t fi l m s i n s p a c e [ J ] ． T ri b o l o g y I n t e r n a t i o n a l ， 1 9 9 0， 2 3 2 9 5 ． 【 1 1 】周晖， 万志华， 郑军， 等． 沉积压力对非平衡磁控溅射沉积 M o S 一 T i 复合薄膜 的结构与性能影响研究[ J ] ． 润滑 与密 封， 2 0 0 9 ， 3 4 5 91 2 ． Z h o u Hu i ， W a n Z h i h u a ， Z h e n g J u n ， e t a 1 ． S t u d y o f s t r u c t u r e a n d p e rfo rm a n c e o f un b ala nc e d ma g n e t r o n s p ut t e rin g Mo S 2 一 Ti c o a t i n g affe c t e d b y d e p o s i t i o n p r e s s u r e [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9 ， 3 4 5 91 2 ． 【 1 2 】周晖， 温庆平， 郑军， 等． 工件台转速对非平衡磁控溅射沉 积 Mo S 一 T i 复合薄膜的结构与性能影 响[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 8 ， 3 3 4 1 3 ． Z h o u H u i ， We n Q i n g p i n g ， Z h e n g J u n ， e t a 1 ． T h e I n fl u e n c e o f s u b s t r a t e t a b l e r o t a t i o n r a t e o n s t r u c t u r e a n d p e rf o r ma n c e o f u n b al a n c e d m a g n e t r o n s p u t t e ri n g Mo S 2 一 T i c o a t i n g [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 8， 3 3 4 13 ． 上接第6 9页度也随之增加 ，摩擦力增大，磨损 严重，会影响密封圈的寿命。最大变形随初始压缩率 的增加而线性增大，最大剪应力在压缩率为 2 0 ％时 达到最大，然后减小。槽 口圆角半径对 Y x形密封圈 密封性能的影响很小，这点与 0形密封圈不 同。摩 擦因数增大时，最大剪切应力明显增加，但最大变形 和最大接触压力都有减小的趋势。 3 密封 圈结构尺寸优化后，密封性 能增强 ， 接触宽度明显减小，根部磨损得到改善，摩擦减小 ， 可以提高密封圈的使用寿命。 参考文献 【 1 】王伟， 邓涛， 赵树高． 橡胶 M o 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 9 ． W a ng We i ， De n g Ta o， Zh a o Sh u g a o ．De t e r mi na t i o n f o r ma t e rial c o n s t a n t s o f ru b b e r M o o n e y R i v l i n m o d e l [ J ] ． S p e c i al P u r p o s e R u b b e r P r o d u c t s ， 2 0 0 4 ， 2 5 4 8 9 ． 【 2 】雷天觉， 杨尔庄， 李寿刚． 新编液压工程手册 下册[ M] ． 北 京 北京理工大学出版社 ， 1 9 9 8 1 6 3 4 1 6 6 5 ． 【 3 】王杰， 谢禹钧． 关于橡胶O形密封圈的A n s y s 分析[ J ] ． 辽宁 石油化工大学学报 ， 2 0 0 8 ， 1 2 4 4 8 5 O ． Wang J i e ， Xi e Y u j u n ． A n s y s a n aly s i s o f rub b e r 0一 s e a l i n g ri n g [ J ] ． J o u rna l o f L i a o n i n g U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m C h e m i c a l T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8 ， 1 2 4 4 8 5 0 ． 【 4 】凌道盛， 徐兴． 非线性有限元及程序[ M] ． 杭州 浙江大学出 版社 。 2 0 0 4 2 2 7 2 3 0 ． 【 5 】任全彬， 蔡体敏， 王荣桥， 等． 橡胶“ 0 ” 形密封圈结构参数和 失效准则研究[ J ] ． 固体火箭技术， 2 0 0 6 ， 2 9 1 1 3 一l 4 ． R e n Q u a n b i n ， C a i T i m i n ， Wa n g R o n g q i a o ， e t a 1 ． I n v e s t i g a t i o n o n s t ruc t u r e p a r a me t e r s a n d f a i l u r e c rit e ria o f “0”一 t y pe rubb e r s e a l i n g ri n g [ J ] ． J o u rnal o f S o l i d R o c k e t T e c h n o l o gy， 2 0 0 6 ， 2 9 1 1 31 4 ． 【 6 】吕尚连． 探讨轴用 Y x 密封圈的形状尺寸[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 0 ， 2 5 2 6 1 6 2 ． L u S h a n g l i a n ． Ap p r o a c h i n g s h a p e a n d s i z e o f Yx - p a c k i n g o f r o d s e a l [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 0 ， 2 5 2 6 1 6 2 ．