張海濤 石 洋 張洪信 張鵬飛 程聯(lián)軍

(青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266071)

泄漏是液壓缸的一種典型故障，不僅會(huì)造成油液外溢而污染設(shè)備環(huán)境，而且會(huì)造成系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定而損壞設(shè)備。因此，通過設(shè)計(jì)減少液壓缸泄漏具有重要的工程價(jià)值[1]。針對液壓缸泄漏問題，本文作者所在團(tuán)隊(duì)提出了一種新型無泄漏柱塞缸[2]，基本結(jié)構(gòu)簡化如圖1所示。其密封件擺脫傳統(tǒng)密封形式，采用套筒型密封件，將密封件套在柱塞一端，然后裝入缸內(nèi)，通過法蘭連接壓板和缸體進(jìn)行固定，柱塞在運(yùn)動(dòng)過程中不存在液壓油泄漏問題。

圖1 無泄漏柱塞缸結(jié)構(gòu)

新型缸密封方式中，橡膠密封件是最重要的結(jié)構(gòu)。橡膠密封件的變形對柱塞缸應(yīng)用有很大的影響，針對密封件加載過程中的變形設(shè)計(jì)了一種層疊結(jié)構(gòu)[3]，為了證明該結(jié)構(gòu)的合理性，需要對其進(jìn)行研究分析。傳統(tǒng)橡膠產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究都是基于經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)方案的性能也只能通過昂貴的實(shí)驗(yàn)評估，耗時(shí)長且花費(fèi)高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

LEE等[4]提出了一種基于有限元分析和經(jīng)驗(yàn)?zāi)M相結(jié)合的近似分析橡膠襯套動(dòng)態(tài)特性的混合方法，所提出的混合方法可以預(yù)測橡膠襯套的動(dòng)剛度，且不需要迭代試驗(yàn)和較高的計(jì)算代價(jià)。馬洋洋等[5]利用有限元軟件研究了不同溫度下發(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離器密封膠條的性能。張付英等[6]利用有限元軟件分析了不同高徑比下不同材料的封隔器膠筒變形穩(wěn)定性。江華生等[7]利用有限元軟件建立油封模型，研究其應(yīng)力和變形，分析了不同因素對接觸特性參數(shù)的影響。除此之外，有限元方法在研究密封圈的性能等方面也有著廣泛的應(yīng)用，許多學(xué)者利用有限元方法對密封圈進(jìn)行了各種研究[8-11]。

在分析橡膠類產(chǎn)品中時(shí)，利用有限元軟件對橡膠件進(jìn)行模擬分析可以縮短實(shí)驗(yàn)周期，降低成本等，且結(jié)果具有可靠性。因此，本文作者采用有限結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法，對無泄漏柱塞缸層疊型密封件進(jìn)行分析，研究其在加載過程中的變形，進(jìn)而驗(yàn)證層疊結(jié)構(gòu)的合理性。

1 有限元模擬分析

1.1 密封件結(jié)構(gòu)

柱塞在運(yùn)動(dòng)過程中，密封件會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)發(fā)生變形，行程越大，變形也越大，同時(shí)與柱塞的接觸區(qū)域也會(huì)產(chǎn)生摩擦力。橡膠密封件在工作工程中的變形，對柱塞缸的機(jī)械效率和密封件的壽命都存在影響。在密封件設(shè)計(jì)初期，提出了3種結(jié)構(gòu)，分別為直筒型、波浪型和層疊型密封件，在對3種結(jié)構(gòu)密封件進(jìn)行仿真模擬后，綜合應(yīng)力、摩擦力等模擬數(shù)據(jù)，選擇層疊型密封件為最佳結(jié)構(gòu)。

根據(jù)柱塞行程，結(jié)合密封件層疊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了密封件樣件。密封件中層疊部分的主要目的是吸收位移行程，減少應(yīng)力集中，防止密封件畸變，從而提高密封件的承受能力。

1.2 橡膠材料本構(gòu)模型

密封件使用的材料是丁腈橡膠，在進(jìn)行模擬分析時(shí)，要注意橡膠材料的非線性特征，即幾何非線性、材料非線性和接觸非線性[12]。

橡膠材料的非線性特點(diǎn)大大增加了模擬分析的困難，因此，橡膠本構(gòu)模型的選取對分析結(jié)果的準(zhǔn)確性有重要的影響。Mooney-Rivlin模型是一個(gè)比較常用的模型，幾乎可以模擬所有橡膠材料的力學(xué)行為[13]。對于不可壓縮材料，典型的二項(xiàng)三階Mooney-Rivlin模型展開式為

W=C1(I1-3)+C2(I2-3)

式中:W為應(yīng)變能密度；I1和I2為第一、第二應(yīng)變張量不變量；C1、C2為模型的材料系數(shù)，此處分別取1.87和0.47 MPa[14]。

1.3 有限元模型

在ABAQUS軟件中，為了方便計(jì)算，將三維模型簡化為二維軸對稱模型，同時(shí)將缸體和壓板部分進(jìn)行簡化，如圖2所示。模型中密封件為丁腈橡膠，密度ρ=1 200 kg/m3。定義密封件之外的實(shí)體部分為鋼，泊松比為0.3，彈性模量E=210 GPa，密度ρ=7 860 kg/m3。

圖2 有限元仿真模型

定義層疊外凸部分為外層疊，內(nèi)凹部分為內(nèi)層疊。

1.4 邊界條件及載荷加載

將壓板和缸體定義為剛體，并限制其所有自由度。通過定義柱塞位移模擬運(yùn)動(dòng)過程，柱塞總行程為80 mm，速度為11.5 mm/s。設(shè)置橡膠與其他部件的摩擦因數(shù)為0.2。運(yùn)動(dòng)過程中設(shè)置密封件承受的加載壓力為0.6 MPa，最終保壓狀態(tài)壓力為1.2 MPa。

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 密封件變形分析

模擬密封件在加載過程中的變形，分析層疊的變化規(guī)律。規(guī)定安裝位置為模型初始狀態(tài)，此時(shí)柱塞端部與壓板底部共線，密封件處于輕度拉伸狀態(tài)。

整個(gè)加載過程中，密封件變形如圖3所示，圖中給出了柱塞不同行程下密封件的變形過程。在工作初期，當(dāng)油壓開始作用到密封件的時(shí)候，層疊在行程1發(fā)生初步變形，密封件內(nèi)層疊處開始與柱塞接觸，同時(shí)外層疊發(fā)生初步壓縮，此時(shí)柱塞行程較小，約為2.5 mm；隨著工作過程進(jìn)行，內(nèi)層疊開始與柱塞貼緊同時(shí)外層疊的壓縮更加明顯，如圖3中行程2所示。

圖3 加載過程密封件變形過程

隨著加載過程繼續(xù)，柱塞行程變大，密封件進(jìn)入中期變形狀態(tài)。在壓力和柱塞位移的作用下，層疊開始發(fā)生明顯變化，如圖3中行程3至行程8所示。行程3中柱塞位移為22.5 mm，行程8中柱塞位移為80 mm，選取此階段行程間隔為11.5 mm分析密封件變形。

在整個(gè)中期變形過程中，內(nèi)層疊在壓力作用下，隨著柱塞運(yùn)動(dòng)發(fā)生壓縮變形，外層疊在壓力作用下，隨著柱塞的運(yùn)動(dòng)和內(nèi)層疊壓縮發(fā)生伸長變形，外層疊接觸面積增大，高度下降。當(dāng)最下端的層疊在當(dāng)前壓力下變形到極限后，下一個(gè)層疊開始發(fā)生變形，變形過程與下端層疊一樣，在變形過程中，2個(gè)層疊逐漸開始接觸。在整個(gè)變形期間，層疊變形順序?yàn)橛上轮辽?，且變形過程相似，都是內(nèi)層疊壓縮變形，外層疊伸出變形，且相互靠攏。

密封件最終變形如圖3中行程8所示，可以看出，外層疊的伸出長度相近，且最終緊貼在一起。在整個(gè)變形過程中，由于內(nèi)外層疊的壓縮，密封件起到了吸收行程的作用，同時(shí)因?yàn)槊芊饧O(shè)計(jì)了層疊部分，其壓縮變形也有了規(guī)律，達(dá)到了最初設(shè)計(jì)的目的。

2.2 密封件應(yīng)力分析

von Mises應(yīng)力反映了密封件截面上主應(yīng)力差值的大小，一般來說，應(yīng)力值越大的區(qū)域，材料越容易出現(xiàn)裂紋[15]，密封件變形后的應(yīng)力分布對預(yù)測其失效破壞區(qū)域具有重要意義。

密封件的上半部分的Mises應(yīng)力值相較于密封件整體較小，因此在研究時(shí)忽略此部分。密封件變形最終Mises應(yīng)力云圖如圖4所示。在分析時(shí)，為了更直觀地展現(xiàn)易破壞區(qū)域，將云圖應(yīng)力大于1 MPa部分突出表示。

圖4 密封件變形后的von Mises應(yīng)力分布云圖

根據(jù)云圖結(jié)果，密封件變形后，較大的Mises應(yīng)力值主要分布在層疊轉(zhuǎn)角處及密封件底部轉(zhuǎn)角處，這些部分在變形過程中發(fā)生大變形，容易造成密封件破壞，在應(yīng)用過程中需要注意。

密封件在剪切作用下也會(huì)發(fā)生失效破壞，密封件變形最終的剪切應(yīng)力云圖如圖5所示。將云圖應(yīng)力大于1 MPa或小于-1 MPa的部分突出表示，可以看出，剪切應(yīng)力的分布與Mises應(yīng)力的分布類似，較大值都是在轉(zhuǎn)角處，結(jié)合2種應(yīng)力分布可以更加明確密封件變形后易破壞區(qū)域。

圖5 密封件變形后的剪切應(yīng)力分布云圖

若采用普通的直筒型結(jié)構(gòu)，密封件在變形的過程中，密封件底部轉(zhuǎn)角處將會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，如圖6所示?？梢钥闯?，此時(shí)應(yīng)力集中處的應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于層疊密封件的最大應(yīng)力值，因此密封件設(shè)計(jì)層疊結(jié)構(gòu)可以有效降低應(yīng)力集中對密封件造成的破壞。

圖6 直筒型密封件變形后的應(yīng)力分布云圖

3 密封件受壓變形實(shí)驗(yàn)

密封件的受力變形在柱塞缸實(shí)際加載過程中比較復(fù)雜，僅通過仿真分析無法確保結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)觀察密封件在實(shí)際加載過程中的變形，同時(shí)驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性[16]。

在進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)前，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確，首先進(jìn)行2次預(yù)實(shí)驗(yàn)，目的是保持密封件良好的狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)過程中，工作壓力為 0.6 MPa，通過調(diào)整定量泵控制保壓壓力為1.2 MPa，柱塞的行程為80 mm,固定拍攝位置，觀察記錄密封件實(shí)際受壓變形的過程，如圖7所示。

從圖7(a)、(b)可以看出，在安裝位置時(shí)，密封件處于輕度拉伸狀態(tài)，隨著油壓作用，層疊開始被壓縮；隨著油壓的逐漸升高，層疊變形越來越明顯，從圖7(c)、(d)中可以看出，層疊變形發(fā)生畸變，產(chǎn)生垂直于層疊方向上的變形，這是由于密封件存放時(shí)間過長，且存放過程中存放不規(guī)范導(dǎo)致層疊產(chǎn)生微小變形，當(dāng)密封件被拉伸時(shí)，變形被放大，在壓力作用下，最終產(chǎn)生畸變變形；隨著工作過程繼續(xù)，如圖7(d)—(f)所示，層疊開始慢慢靠攏，靠攏順序?yàn)橛上轮辽?，并且層疊畸變在靠攏的過程中逐漸消失，最終在壓力的作用下，層疊平整地接觸在一起。

圖7 密封件實(shí)際加載變形

密封件最終變形結(jié)果如圖8所示，可以看出，有限元模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，密封件的外層疊最終都是貼緊在一起的，而且近乎水平。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，密封件在工作過程中的實(shí)際變形與模擬過程的變形，都是在壓力作用下首先發(fā)生初步壓縮，隨著工作過程的繼續(xù)，層疊發(fā)生由下至上的靠攏，最終層疊靠攏在一起。因此，利用建立的仿真模型分析密封件變形是可行的，且結(jié)果準(zhǔn)確可靠，所設(shè)計(jì)的密封件層疊結(jié)構(gòu)合理，能夠達(dá)到預(yù)期的效果。

圖8 密封件最終變形

4 結(jié)論

(1)層疊結(jié)構(gòu)密封件在整個(gè)變形過程中，由于內(nèi)外層疊的壓縮，密封件起到了吸收行程的作用，同時(shí)因?yàn)槊芊饧O(shè)計(jì)了層疊部分，其壓縮變形也有了規(guī)律，達(dá)到了最初設(shè)計(jì)的目的。

(2)層疊結(jié)構(gòu)密封件在模擬和實(shí)驗(yàn)的過程中，表現(xiàn)出良好的變形規(guī)律，證明所設(shè)計(jì)的層疊結(jié)構(gòu)達(dá)到了最初設(shè)計(jì)的目的，即吸收大行程變形，防止密封件產(chǎn)生不規(guī)律變形。

(3)所建立模型在研究密封件變形時(shí)結(jié)果可靠、準(zhǔn)確，為后續(xù)密封件深入分析、設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了指導(dǎo)。