液压雷达密封结构的有限元分析

液压雷达密封结构的有限元分析

密封装置是故障设备的重要组成部分。它的工作、可靠性和使用寿命是液体系统稳定工作的基本保证。在曲轴连杆式液压马达的密封结构中,活塞与缸体的密封性能直接影响其容积效率和机械效率。目前,国产液压马达活塞与缸体之间的密封装置主要采用O形圈加密封环的组合密封。而较新的类似于金属密封中的膨胀环结构,如Staffa中活塞与缸体之间的密封,却很少采用,此结构具有安装简便和密封效果好的优点。鉴于2种马达中活塞与缸体的密封装置的结构和材料不同,本文作者采用有限元法并借助ANSYS软件对这2种结构进行分析并对密封效果进行比较。1密封结构描述1.1塑料和塑料该密封采用挤压型弹性体密封,如图1(a)所示,O形圈不仅依靠密封环预压缩而产生预紧力,同时在工作时受高压油挤压,O形圈变形产生自紧力。用塑料做成耐磨的密封环,与O形圈形成组合密封。这样既发挥了塑料的化学稳定性好,耐磨性高的优点,使之与活塞接触,又发挥了O形圈弹性好的优点。1.2sq3日本项目该密封其结构如图1(b)所示,在活塞上有一道环槽,槽内设置两道三角形断面的密封环,上环为楔形环,尼龙材料。下环为膨胀环,聚四氟乙烯材料,具有较低的摩擦因数。压力油从上边进入环槽侧隙,油压力作用在上环的上端面产生向下的推力,使得下环的轴向端面紧贴环槽底面,而周向柱面紧贴缸体内壁起密封作用,密封能力随负载油压的升高而自动加强。2有限分析2.1橡胶材料的应变能函数橡胶材料属于超弹性近似不可压缩体。它在受力后,呈现大位移大应变,力学模型表现为复杂的材料非线性和几何非线性。其变形后的体积可近似看成不变,故其应力不能由变形状态唯一确定,而是由变形和静压共同确定。从变分角度讲,由于不可压缩条件的存在,使橡胶体的有限元分析变成一个等式条件变分问题。目前广泛采用Mooney-Revlin模型描述橡胶材料的应变能函数,同时附加体积约束能量项,得一修正的应变能函数。利用修正的应变能函数可使问题化为一无条件变分问题。其修正应变能函数形式为:W=C1(I1−3)+C2(I2−3)+α2(I3−1)W=C1(Ι1-3)+C2(Ι2-3)+α2(Ι3-1)式中:C1,C2为Mooney-Revlin常数;I1,I2,I3为形变张量的第一、第二、第三不变量,如果材料是不可压缩超弹性体,则I3=1;α为罚因子,近似理解为材料的体积变形模量。对于不可压缩超弹性材料,应变能函数表征为应变或变形张量的纯量函数,应力表征为应变能函数对应变的偏导数,其本构方程为:Sij=∂W∂EijSij=∂W∂Eij式中:Sij为比奥雷-克希霍夫应力(Piola-Kirchhoff);Eij为格林(Green)应变张量的分量;W为单位体积的应变能函数。2.2anasas程序接触问题是广泛存在于工程实际的一个复杂的非线性问题。有许多接触问题的有限元算法,可根据不同问题的力学模型选用合适的算法。ANSYS程序采用罚单元法描述接触问题。从变分角度看,结构的总势能Π可表示为:Π=W+We+Q式中:W为应变势能;We为外力势能;Q为接触力势能。通过罚单元给出Q的表达式,从而可解决接触面不被穿透的问题。2.3旋转密封槽模型分析在国产ITM16-1800马达中,活塞直径ϕ85mm,缸体上槽宽3.1mm,槽深4.2mm,密封环ϕ84.4mm×2.1mm×3mm,材料为聚乙烯,O形圈规格ϕ90mm×2.65mm。为了提高结果的准确性将橡胶圈网格划分较细,其中橡胶单元采用超弹性单元HYPER56,模型中的接触单元由接触单元CONTA171和目标单元TARGE169配对组成。分析中采用的橡胶材料模型为近似不可压缩弹性材料的穆尼-瑞林(Mooney-Rirlin)模型,与材料的应变能偏量部分有关的2个材料常数C1和C2(常称之为穆尼材料常数)分别为1.87和0.47。分析中将密封槽与密封圈接触的两个面设为刚性面以代替缸体。在进口StaffaHMB100马达中,活塞直径ϕ79.3mm,活塞上密封槽宽5mm,槽深4.1mm,上下密封环组成4.9mm×4mm的矩形截面。将上下2种密封圈均视为不可压缩材料,使用PLANE82模块单元,模型中的接触单元由接触单元CONTA172和目标单元TARGE169配对组成单元进行有限元分析。两者其它物理参数见表1。2种密封结构圆周方向受力情况一致,根据其断面的外形尺寸,采用四边形单元将其结构进行单元离散,得到该密封结构的有限元模型,如图2所示。2.4密封结构接触压力利用ANSYS软件分析2种密封结构在0、16、25、32MPa压力下的接触应力。图3是组合密封结构在压力为0,即不受工作压力时密封环和O形圈的状态,即范·米塞斯(VonMises)应力图。图4为16MPa下2种密封结构的水平位移图。图5为16MPa下2种结构的VonMises应力图。从图4(b)可以看出上环在油压作用下产生向下的推力,使得下环周向上产生不同程度的平移,周向柱面紧贴缸体内壁,密封能力随油压的升高而自动加强。图6是不同压力(0、16、25、32MPa)下2种密封结构接触压力变化图,根据马达工作过程中缸体与活塞接触部位,选取现有国产马达密封结构中密封环内侧为研究对象,绘制接触压力曲线,见图6中曲线1;选取进口马达密封机构中楔形环和膨胀环外侧为研究对象,绘制接触压力曲线,分别对应图6中曲线2和3。为了便于确定密封效果,在图6(a)～(d)中分别划出0、16、25、32MPa4条水平线。由图3和图6(a)可以看出,在压力为0时O形圈因受到预压缩而产生了预紧力并向密封环传递,在推力作用下密封环与活塞贴紧,因此,ITM型马达活塞的回程(非工作状态)伴随着机械效率的损失。而配有楔形环与膨胀环的密封结构,在没有压力的情况下,两密封环在密封槽中处于自由状态,没有机械损失。接触应力的大小反映了密封结构密封能力的强弱。密封结构保证密封的必要条件是密封界面上的最大接触压力大于或等于油压。从图6(b)～(d)及表2可以看出,随着油压的增加,接触应力也随之增加,而且密封环、楔形环和膨胀环的接触压力的峰值总是大于油压,这说明2种密封结构都达到了密封效果。从图6(b)～(d)及表3还可以看出随着压力升高,密封环曲线趋于平坦且峰值与加载压力差值逐渐降低,说明随着压力的升高O形圈的预压缩产生的自紧力对密封环的作用逐渐降低。当马达额定压力升高,密封环的磨损会造成O形圈相对压缩量减少,密封效果随之下降。而膨胀环密封结构,随着压力升高楔形环和膨胀环接触压力峰值与加载压力差值逐渐增加,且远大于相同压力下组合密封结构密封环与加载压力的差值,楔形环在高压油下产生的推力使膨胀环贴紧环槽底面的同时与缸壁紧贴,因此,随着工作压力的增加膨胀环结构密封效果要比组合密封好。由图6(b)～(d)还可看出,组合密封密封环应力曲线比较缓和,膨胀环密封结构楔形环和膨胀环的曲线局部较陡,即使膨胀环周向端面间因往复摩擦造成磨损,也可在油压力作用下自动补偿。3范米塞斯结构的影响(1)随着油压的升高,液压马达