Yx形液压密封圈温度场有限元分析.pdf

2 0 1 2年 1 0月 第 4 0卷 第 2 【 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUU C S 0c t ．2 0l 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 0 ． 0 2 6 Y x 形液压密封 圈温度场有限元分析 杨秀萍，于润生，田磊 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传热学原理，分析橡胶密封圈摩擦生热和机械滞后生热的机制；采用有限元法对 Y x形液压 密封圈热结构耦合场进行模拟，得到密封圈的温度场分布，研究工作参数对温升的影响及规律。结果表明摩擦生热主要 使密封圈与活塞杆接触部分温度升高，机械滞后生热使密封圈中心部分温度较高，其温升明显高于摩擦引起的温升，两种 热源作用下，密封圈有很高的温度场；对于相同橡胶材料，油压、相对滑动速度以及油温的增大，均使密封圈温升明显增 加。因此工作中限制工作压力和相对滑动速度以及提供较好的散热条件 ，对降低密封圈温升、提高密封性能和使用寿命有 利。所建立的模型为定量分析各类密封圈温度场提供了研究基础和方法。 关键词 Y x 形密封 圈；有 限元 ；温度场 中图分类号0 2 4 2 ．2 1 T B 1 1 5 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 0 0 8 8 3 Fi ni t e El e me nt Ana l y s i s o n Te mp e r a t u r e Fi e l d 0 f Sh a p e Hy dr a u l i c Se a l i ng Ri n g YANG Xi u p i n g，YU Ru n s h e n g，TI AN L e i S c h o o l o f Me 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 T h e h e a t g e n e r a t i o n me c h a n i s ms b y f ric t i o n an d me c h a n i c a l h y s t e r e s i s o f r u b b e r s e al rin g we r e a n aly z e d b a s e d o n h y p e r e l a s t i c i t y t h e o r y a n d h e a t t r an s f e r p ri n c i p l e ．T h e c o u p l e d fi e l d s i mu l a t i o n o f the r mal an d s t r u c t u r e o f Yx s h a p e h y d r a u l i c s e als r i n g w a s i mp l e me n t e d b y fi n i t e e l e me n t me t h o d a n d the t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n Was o b t a i n e d ．T h e e ff e c t a n d r e g u l a r i t y o f wo r k i n g p a r a me t e r s o l l t e mp e r a t u r e ri s e we r e s t u d i e d ．T h e res u l t s s h o w t h a t f r i c t i o n al h e a t ma i n l y l e i d s t o t e mp e r a t u r e r a i s e o n the a r e a w h e re t h e s e al r i n g a n d t h e p i s t o n r o d c o n t a c t ，me c h a n i c al h y s t e r e s i s l e a d s t o h i g h t e mp e r a t u r e fi l e d i n the c e n t r al p a r t o f s e al rin g ，a n d t h e t e mp e r a t u r e ri s e i s o b v i o u s l y h i g h e r t h an tha t b y f ri c t i o n ．S e a l ri n g h a s h i g h ‘ t e mp e r a t u r e fi l e d u n d e r t wo k i n d s o f h e a t s o u rce ．T h e t e mp e r a t u r e ris e o f s e a l rin g e v i d e n t l y i n c r e as e s w h e n o i l p r e s s u r e ．r e l a t i v e s l i d e s p e e d an d o i l t e mp e r a t u re i n c r e as e f o r the s a me rub b e r ma t e ria 1 ． T h e r e f o r e ，l i mi t i n g t h e wo r k i n g p r e s s u r e ，r e l a t i v e s l i d e s p e e d and p r o v i d i n g b e t t e r h e a t d i s s i p a t i o n c o n d i t i o n are b e n e fi c i al t o r e d u c e t h e t e mp e r a t u r e r i s e ，i mp r o v e s e a l i n g per f o rm anc e a n d s e r v i c e l i f e ．Th e mo d e l p r o v i d e s res e e h b a s i s and me t h o d f o r q u a n t i t a t i v e anal- y s i s o f t e mper a t u r e fi e l d s o f a l l k i n d s o f s e al rin g s ． Ke y wo r d s Yx s h a p e s e ali n g rin g ； F i n i t e e l e me n t ； T e mp e r a t u r e fi e l d 密封圈是液压系统防止泄漏、提高容积效率的重 要元件，密封失效不仅影响系统正常工作，还会浪费 工作油液 ，污染设备和环境 ，有时密封件损坏造成的 损失 ，甚至是密封件本身价值的千万倍。现代液压控 制技术对密封提出了更高的要求，其密封性能已成为 评价产品质量 的一个重要指标⋯ 。 在长时间 、高压工况下，系统会发热，由于橡胶 材料的导热性较差 ，积累在密封圈内部的热量无法传 出，使温度升高，对密封性能和使用寿命产生严重影 响 。 。目前国内外学者主要针对橡胶阻尼件 、密封 环 、橡胶轮胎等温度场进行了研究 ，而对密封圈的温 度计算很少。作者应用超弹性理论和传热学原理 ，分 析密封圈摩擦生热和机械滞后生热的机制，利用 A N - S Y S 有限元软件对 Y x形液压密封圈热结构耦合场进 行模拟，研究工作参数对温升的影响及规律，所建立 的模型为定量分析各类密封圈温度场提供了研究基础 和方法 。 1 温度场分析理论基础 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，主要用于往复运动 的密封。在此过程中摩擦副之间相对滑动摩擦会产生 热量 ，同时密封圈具有橡胶黏弹性 ，工作过程中产生 机械滞后而生热，连续工作一段时间后 ，密封圈及其 金属接触部件达到热平衡状态，因此密封圈的温度场 可视为有内热源的稳态热传导问题 ，热传导微分方程 变为泊松方程 收稿 日期 2 0 1 1 0 9 0 7 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 作者简介 杨秀萍 1 9 6 2 一 ，女，硕士，教授，硕士生导师，主要从事液压传动及有限元应用的教学与科研工作。 E ma i l y h p 4 2 0 s i n a ． c o rn。 9 0 机床与液压 第 4 0卷 密封 圈和液 压油之 间为对流 换热 ，油 温升高 时 ， 密封圈的温度 随之 升 高 ，如图 5 c ，呈线 性规 律 ， 最高温度比油液温度高 4 6℃。当系统散热条件不好 时 ，液压 油温升大 ，会使密封 圈温度过高 。 介 质 温 度 c 介质温度 图 5 参数对温度的影响 5结论 1 导致密封圈温升的热源有两种 摩擦生热 和机械滞后生热，两者都不可忽视； 2 摩擦 生 热 主要 使密 封 圈与活 塞杆 接触 部分 温度升高 ，机 械 滞后 生热 使 密封 圈 中心部 分温 度较 高 ，其 温升明显 高于摩擦 引起 的温升 。两种热源作用 下 ，密封圈有很高的温度场 ； 3 对于相 同橡胶材料 ，油压 、相对滑动速度 以及油温的增大，均使密封圈温升明显增加。因此工 作 中限制工作压力和相对滑动速度 以及较 好的散 热条 件 ，对降低密封圈温升 、提高密封性能和使用寿命有 利 。 4 文中建立的模型，为定量分析各类 密封圈 温度场 提供 了研究基 础和方法 。 参考文献 【 l 】苑士华， 姜超， 胡纪滨， 等． 胀圈高速旋转密封端面温度 的动态测试[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 3 1 2 21 2 4 ． 【 2 】 穆志韬， 邢耀国． 固体发动机密封技术的研究现状与发 展[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 5 6 ． 【 3 】 陈兰贞． 基于 P a t r a n ／ M a r c 橡胶模具加热系统温度场数 值模拟[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 9 1 3 51 3 7 ． 【 4 】 郭乙木， 陶伟 明， 庄茁． 线性与非线性有限元及其应用 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 3 ． 【 5 】 M C A L L E N J ， C U I T I O A M， S E M A S V ． N u m e r i c a l I n v e s t i g a t i o n o f De f o r ma t i o n Ch a r a c t e r i s t i c s a nd He a t Ge n e r a t i o n i n P n e u m a t i c A i r c r a f t T i r e s[ J ] ． F i n i t e E l e m e n t s i n A n a l y s i s a n d D e s i g n ， 1 9 9 6 ， 2 3 2 ／ 3 ／ 4 2 6 5 2 9 0 ． 【 6 】 王泽鹏 ， 张秀辉， 胡仁喜， 等． A N S Y S 1 2 ． 0 热力学有限元 分析从入门到精髓[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 1 0 ． 【 7 】于润生 ， 杨秀萍． Y x 形液压密封圈的有限元分析及结构 优化[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 1 1 ， 3 6 7 6 6 6 9 ． 【 8 】杨秀萍， 郭津津． 单螺杆泵定子橡胶温度场分析 [ J ] ． 润 滑与密封 ， 2 0 0 8 ， 3 3 7 5 3 5 5 ． 上接第 1 5 9页 图6 重新编写的程序及参数设置 3结束语 采取 上述措 施 ， 经过 生产检 验 整 个 P R O F I B U U S 网络运行 良好 ， 在近一年 的生产过程 中， 网络故障率为 零， 有力地保证了生产的稳定进行。 参考文献 【 1 】西门子在线支持与服务下 载中心． 西 门子选型手册 [ M] ． 【 2 】 杭州浙大精益机电技术工程有限公司． T E C选型手册 『 M] ．