液压缸活塞组合密封圈的有限元分析.pdf

论文题目液压缸活塞组合密封圈的有限元分析 工程领域机械工程 硕 士 生周巧锋 （签名） 指导教师李海宁 （签名） 摘 要 液压支架作为综采工作面的重要装备，其安全可靠运行对煤矿生产起着决定性的作 用，而液压支架持续工作的保证就是有效密封。本论文运用 ANSYS 软件平台对液压支 架的关键密封元件即液压缸活塞组合密封圈进行有限元数值分析，以研究各种因素对的 密封性能和密封件形变的影响。 活塞组合密封圈由丁腈橡胶、聚氨酯和聚甲醛等不同性质材料元件装配组合而成， 这些材料都是高度非线性的超弹性材料，具有几何形状变化、材料弹塑性和边界条件非 线性特性。应用描述超弹性材料变形的本构关系理论和 Mooney-Rivlin 模型建立超弹性 材料的力学计算函数。对各种材料进行力学拉伸实验，将数据经过拟合分析后得到材料 的 Mooney-Rivlin 模型常数，以此在数值计算中定义材料的属性。通过创建三维接触对 来解决非线性材料之间的耦合问题。 论文将密封圈分别定义在静止（静密封）和直线运动（动密封）状态下，应用有限 元数值分析的方法研究介质压力、压缩率、摩擦系数和密封副配合间隙等因素对密封体 应力场的作用，从得到的应力云图和最大接触应力、最大剪切应力和最大 Von Mises 应 力等指标来分析研究它们对密封性能的影响。根据分析结果选择影响因素的一组最优值 摩擦系数 μ0.1、压缩率 ε8.5、密封副配合间隙 s2mm，进行有限元分析对比。最后， 对液压缸活塞组合密封圈进行结构优化，通过分析得到其最简单的结构尺寸。 关 键 词密封 液压缸 数值分析 有限元 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject The Finite Element Analysis of Piston Combination Ring of Hydraulic Cylinder Specialty Mechanical Engineering Name Zhou Qiaofeng （（Signature）） Instructor Li Haining （（Signature）） ABSTRACT The hydraulic support is important equipment in fully mechanized coal face, its safe and reliable operation in the coal production plays a decisive role, and ensuring continuous operation of the hydraulic support is an effective seal. In this paper, it uses ANSYS software plat to do finite element numerical analysis for the critical sealing components of hydraulic support, namely hydraulic cylinder piston combination ring, to study the impact of various factors on sealing properties and sealing’s deation. The piston combination ring is combination by the different nature of material of nitrile rubber, polyurethane and polyacetal elements assembled, which materials are highly nonlinear super-elastic material, having a geometry change, elastic-plastic of material and boundary conditions’ nonlinear. It uses the constitutive relation theory and Mooney-Rivlin model which can describe super-elastic material deation to build the mechanical function of the super-elastic material. Doing mechanical tensile test for the variety materials, the material properties are defined in the numerical calculation through Mooney-Rivlin model constants of materials which is obtained by fitting analysis from the testing data. The problem of coupled nonlinear material is solved by creating three-dimensional contact pairs. In this paper, static state static seal and rectiliner motion dynamic seal are the two presentations of seal ring.Sealing perance may be affected by many factors, which are medium pressure, compression ratio , friction coefficient and sealing pair of fit clearance. For resolving it, the numerical analysis of finite element is used to explore parameters of those factors. The parameters include stress nephogram, the maximum contact stress, the maximum shear stress and the maximum Von Mises. According to the analysis result, it selects a group of optimal values of factors, for the friction coefficient μ 0.1, the compression ratio ε 8.5, with the sealing gap s 2mm, doing finite element analysis to compare. Finally, it does structural optimization to the piston combination ring of hydraulic cylinder, obtained its most simple structure size by analyzing. 万方数据 Key words Seal; Hydraulic cylinders; Numerical analysis; Finite element Thesis Application Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪 论 ........................................................................................................................................... 1 1.1 课题研究背景 ................................................................................................................. 1 1.1.1 液压支架液压缸及其密封元件的技术现状 .................................................... 1 1.1.2 密封技术的发展和研究现状 ............................................................................. 1 1.2 课题研究的意义 ............................................................................................................. 2 1.3 本课题的主要研究内容................................................................................................. 3 2 超弹性材料的有限元理论 ........................................................................................................ 4 2.1 活塞组合密封圈的简介................................................................................................. 4 2.2 超弹性材料的性质 ......................................................................................................... 4 2.2.1 几何非线性 .......................................................................................................... 5 2.2.2 材料非线性 .......................................................................................................... 5 2.2.3 状态非线性 .......................................................................................................... 5 2.3 超弹性理论 ..................................................................................................................... 6 2.4 材料 Mooney-Rivlin 模型常数 .................................................................................... 7 2.5 本章小结.......................................................................................................................... 8 3 活塞组合密封圈材料力学性能实验 ....................................................................................... 9 3.1 实验原理.......................................................................................................................... 9 3.2 实验设备.......................................................................................................................... 9 3.2.1 裁刀和裁片机 ...................................................................................................... 9 3.2.2 拉力测试仪 ........................................................................................................ 10 3.3 制备材料试样 ................................................................................................................11 3.4 记录实验结果 ................................................................................................................11 3.5 实验数据处理 ............................................................................................................... 14 3.5.1 MATLAB 数据处理 .......................................................................................... 15 3.5.2 ANSYS 数据处理 .............................................................................................. 17 3.5.3 Mooney-Rivlin 模型常数.................................................................................. 19 3.6 本章小结........................................................................................................................ 19 4 有限元理论及 ANSYS 建模 .................................................................................................. 20 4.1 有限元基本理论 ........................................................................................................... 20 4.1.1 有限元的基本思想............................................................................................ 20 4.1.2 有限单元法简介 ................................................................................................ 20 4.1.3 有限元的基本假设............................................................................................ 21 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 II 4.1.4 材料耦合处理 .................................................................................................... 21 4.2 有限元建模 ................................................................................................................... 22 4.2.1 有限元模型 ........................................................................................................ 22 4.2.2 有限元网格划分 ................................................................................................ 23 4.2.3 定义接触 ............................................................................................................ 23 4.3 定义边界条件 ............................................................................................................... 24 4.4 GUI 操作 ....................................................................................................................... 24 4.5 本章小结........................................................................................................................ 29 5 活塞组合密封圈密封性能的有限元分析 ............................................................................. 30 5.1 介质压力对密封性能的影响 ...................................................................................... 30 5.1.1 应力云图 ............................................................................................................ 30 5.1.2 综合分析 ............................................................................................................ 31 5.2 摩擦系数对密封性能的影响 ...................................................................................... 34 5.2.1 应力云图 ............................................................................................................ 34 5.2.2 综合分析 ............................................................................................................ 35 5.3 压缩率对密封性能的影响 .......................................................................................... 38 5.3.1 应力云图 ............................................................................................................ 38 5.3.2 综合分析 ............................................................................................................ 39 5.4 密封副配合间隙对密封性能的影响 .......................................................................... 42 5.4.1 应力云图 ............................................................................................................ 42 5.4.2 综合分析 ............................................................................................................ 43 5.5 最优参数情况 ............................................................................................................... 46 5.6 本章小结........................................................................................................................ 47 6 活塞组合密封圈结构优化 ...................................................................................................... 48 6.1 结构优化模型 ............................................................................................................... 48 6.2 优化结果分析 ............................................................................................................... 49 6.3 小结 ................................................................................................................................ 51 结 论.............................................................................................................................................. 52 致 谢.............................................................................................................................................. 53 参考文献 ....................................................................................................................................... 54 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题研究背景 1.1.1 液压支架液压缸及其密封元件的技术现状 液压支架作为综采工作面的重要装备，其安全可靠运行对煤矿生产起着决定性的作 用，而液压支架持续工作的保证就是有效密封。密封件是液压系统的辅助元件, 如果它 出现了破坏或者失效等问题就会使液压系统出现漏液等故障 [1], 因此, 强化液压支架立 柱和活塞密封技术的分析研究，是提高我国液压支架技术水平和支架运行可靠性的重要 环节。 国内高端液压支架产品对大缸径、高可靠性、高寿命液压缸密封产品的需求长期依 赖于国外进口，主要有郝莱特（HLD）、DMH、Freudenberg Simrit、NOK 等公司，它 们的技术代表着国际的顶尖水平，这些国外密封企业引领密封技术的发展。密封材料由 橡胶到聚氨酯、聚乙醚，从单一材料到多种材料组合，加工工艺从模压成型到切削加工。 不同材质的组合密封中，各元件因材料性质各异，发挥着不同的作用，可以利用有限元 数值分析方法，模拟分析互相的作用机理和密封性能，再对密封产品进行优化设计。 1.1.2 密封技术的发展和研究现状 我国的液压支架技术的快速发展带动了对其密封技术的研究，已经从宏观到了微观 领域，工程技术人员越来越重视基础研究。对液压支架立柱的密封性能进行分析，首先 要研究材料力学和摩擦学的相关理论，然后还会涉及到尺寸公差等多学科的不同理论基 础，而且密封结构的受力、环境、温度、介质、工况、形状、密封材料都比较复杂[2]， 再加上密封件工作中存在很多不确定因素，所以要对液压密封件进行准确地分析讨论存 在较大的困难。传统的研究分析一般是根据工作人员的经验和经验公式进行，对研究人 员的经验和理论基础依赖性很强，难以做到微观定量的研究，因此会导致密封技术发展 较慢，并且实际工况的效果也难以满足设计要求，难以达到复杂工况的要求[3]。 随着有限元方法的发展普及和计算机功能的增强，工程研究人员开始尝试使用有限 元软件等数值模拟分析方法来对密封性能进行分析研究，这种分析方法能够在短时间内 耗费较低的成本来研究分析多种方案，经过对比优化，使密封件的密封性能达到最佳。 ANSYS 软件是目前国内外使用最广泛的有限元分析软件之一，它里面有解决工程 问题的仿真模块供用户使用，使用者也可以运用 ANSYS 软件解决研究设计中所涉及的 所有领域，完成过程实况模拟仿真过程，为用户简化了研究设计程序。在 ANSYS 软件 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 中的模块可以完成从最初的产品设计方式到最终的产品试验，以及实际运用工况模拟， 都可以在有限元软件中进行，设计和开发流程借助 ANSYS 软件后，可以在 ANSYS 软 件中完成相关设计，因此产品的试验周期会被压缩，可以使用最少的研发经费去完成整 个设计过程，演示新产品性能 [4]。ANSYS 的使用可以减少我们设计研发的工作量，预判 工作中可能会出现的问题，并提供精确的分析结果。 密封件的形式多变，由最初为单一结构，如 O 型密封圈、Y 型密封圈、U 型密封 圈和 V 型密封圈[5]，但是随着液压缸运用范围的扩大和使用环境的改变，传统的密封件 已经不能满足现阶段的要求，所以新一代的组合密封圈应运而生，如蕾型密封圈、锥形 滑环密封圈、旋转轴唇形密封圈、山形密封圈、液压缸活塞密封圈、格莱圈等。除此之 外，密封材料也得到了快速发展[5]。 除了上面介绍的几种组合密封件外，目前国内外已经研制出许多新型的密封件，它 们具有很多优点，促进了密封行业向高、精、尖方向发展[7]。例如，车氏密封有限公司 生产的滑环式组合密封圈， 该密封圈采用了填充聚四氟乙烯的密封滑环和 O 型密封圈组 合而成，最大限度的发挥了材料和结构的优点，J 型组合密封圈可以承受 200MPa 压力， U 型可以承受 300MPa 压力；宁波天生公司生产的核级石墨垫片，这种密封产品广泛应 用于核电站系统中，目前法国核电站 90以上都在使用这种类型密封垫，该密封垫片在 国外都属于高新技术首创产品[6]。 随着信息高效互通和国际交流合作增多，国内密封行业发展迅速，密封件由最初的 依靠进口到现在实现国产，我国的液压技术已经达到或者接近国际水平，但是高端液压 支架活塞密封产品的研究还有待提高，以摆脱对国外产品的依赖。 1.2 课题研究的意义 液压支架作为煤矿开采机械化的重要组成部分，其可靠性是综采工作面液压支护系 统的重要保障，液压密封技术是已成为液压支架研究的焦点问题之一。液压支架无法达 到正常的工作阻力的主要原因是立柱的泄漏，煤矿开采所使用的液压支架它的介质是浓 度为 95的乳化液， 该乳化液介质比传统液压油更易发生泄漏 [6]。 工作介质如果出现漏液 不仅降低支架的效率，影响支架的支护性能，还会造成能量损失、污染工作环境，严重 时会损坏支架，造成危险。在液压支架向高支护强度、高工作阻力和大立柱缸径方向的 发展趋势下，强化液压支架密封技术的研究，关系到提高液压密封行业的技术水平。 随着我国工业化的深入，液压装备得到了快速发展和广泛运用，由于“中国制造 2025”对接“工业 4.0”的提出，以及对资源环境的重视，液压系统功能的日益完善，对 液压密封性能、密封质量等提出了更高的要求，密封行业也面临着前所未有的机遇和挑 战。国内密封件生产企业没有掌握核心研发技术，研发新产品的能力较低[7]。为了解决 立柱密封泄漏问题，有些密封件生产企业盲目地增大密封圈的预压缩量，虽然暂时解决 万方数据 1 绪论 3 了活塞漏液的问题，但因为没掌握密封的核心原理，更没有进行基础的现场数据统计和 分析研究，单纯的增大密封圈的压缩量会导致活塞的工作阻力增大能耗增加，甚至会使 液压缸卡死，导致密封圈外翻、破损等情况时有发生。企业对密封件的研究设计在较大 程度上还是依靠经验判断，模拟分析、定量研究等系统的科学方法没有被广泛采用，引 进使用的前沿设计手段较少，这样生产的密封件不能使用在复杂的密封环境，可能会造 成泄露甚至重大工程事故。 对密封圈运用 CAE 方法进行研究， 可以同时分析研究几种不同方案， 而且所需要的 时间短，花费的成本也比较低，再将几种方案进行对比分析，选用最理想的方案，使其 性能达到最佳[8]。本课题的研究引入了 ANSYS 有限元软件对密封圈进行密封性能研究， 为后续的三维分析研究和产品设计垫底了基础。 综上所述，对液压支架液压缸密封性能进行数值模拟分析研究是至关重要的，提高 活塞密封性能、对密封件进行失效分析、以及增大密封圈使用可靠性和寿命是促进液压 关键技术水平进步的有效途径。 1.3 本课题的主要研究内容 本论文研究以液压支架立柱为对象，以咸阳某生产密封件公司的产品为载体，用 ANSYS、MATLAB 和 CATIA 软件来研究支架立柱活塞的密封性能，本论文的主要内容 包括 （1）查阅相关资料，概括介绍液压支架及活塞组合密封技术的国内外研究现状。 （2） 介绍丁腈橡胶、 聚氨酯和聚甲醛的材料特性和超弹性体的非线性理论以及接触 问题非线性理论，介绍超弹性材料的 Mooney-Rivlin 模型常数的确定方法，及非线性有 限元分析方法。 （3） 阐述了密封圈材料的力学性能试验， 对聚氨酯和丁腈橡胶在室温下进行单轴拉 伸试验。 所得到的实验数据通过 MATLAB 软件和 ANSYS 软件进行处理， 求得关于液压 缸活塞密封圈材料的两组 Mooney-Rivlin 模型常数。 （4）介绍液压支架立柱的活塞组合密封的结构，参照有关文献资料，对密封圈结构 进行合理的简化处理， 在 CATIA 中建立液压缸活塞密封圈实体模型， 然后导入到 ANSYS 软件中生成有限元模型，再对密封圈的有限元模型进行网格划分和分析前处理等。 （5）在 ANSYS 软件中，对处理完成的模型进行分析，研究关键因素对活塞组合密 封圈的密封能力的影响，主要有a. 密封性能与介质压力之间的关系；b. 密封性能和摩 擦系数之间的关系； c. 密封能力和密封圈压缩率之间的关系；d. 密封副配合间隙对密封 圈密封能力的影响；e. 对液压缸活塞密封圈你的结构进行优化。 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 2 超弹性材料的有限元理论 2.1 活塞组合密封圈的简介 活塞组合密封圈主要用在液压支架立柱的活塞上面，它由丁腈橡胶、聚氨酯和聚甲 醛三种材料的元件组合而成，橡胶和聚氨酯材料在外力作用下产生远超过弹性极限应变 量的应变，而且卸载时应变可恢复到原来状态，属于超弹性材料。聚甲醛是一种没有侧 链、高密度、高结晶性的线性聚合物，具有超钢‖之称，因此在后面的分析中当作刚性 处理，不再介绍。组合密封圈和截面结构如图 2.1 和图 2.2 所示，密封面由硬度高且耐磨 的聚氨酯加工而成，两道沟壑设计可以保证存贮足够的润滑脂；材质较硬且韧性好的白 色聚甲醛阻挡中间的聚氨酯挤出沟槽，起保护和导向的作用；底部的丁腈橡胶在密封圈 最里层，充当弹性体，保证聚氨酯密封面的预压力，并分散液压力给聚甲醛，起到耐高 压的效果，同时给聚甲醛向上的力，缩小缸体间隙。 图 2.1 活塞组合密封圈 图 2.2 组合密封圈结构