深海液壓系統(tǒng)X形橡膠圈密封性能分析

2015-04-12 張毅西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

　　利用ANSYS 軟件建立深海環(huán)境下工作的液壓系統(tǒng)的X 形圈密封結(jié)構(gòu)的二維軸對(duì)稱模型，計(jì)算X 形圈在不同密封狀態(tài)下的應(yīng)力分布，分析壓縮率、密封壓力、摩擦因數(shù)等因素對(duì)其密封性能和相關(guān)應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：應(yīng)力隨壓縮率、密封壓力、摩擦因數(shù)的增大而增大；靜態(tài)密封時(shí)，X 形圈內(nèi)側(cè)與密封槽會(huì)形成密閉空腔，不適合應(yīng)用于深海環(huán)境；承載密封時(shí)，密封壓力對(duì)接觸應(yīng)力、等效應(yīng)力、剪切應(yīng)力的影響依次減小；滑動(dòng)密封時(shí)，摩擦應(yīng)力逐漸趨于穩(wěn)定，且密封壓力和摩擦因數(shù)對(duì)摩擦應(yīng)力影響較大。

　　X 形橡膠圈是在O形圈的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，在液壓系統(tǒng)中可以替代O形圈。與O形圈相比，X 形圈具有較低的摩擦力，能較好地克服扭轉(zhuǎn)，可獲得更好的密封效果。深海液壓系統(tǒng)工作在深海環(huán)境下，在深海5 000 m 處環(huán)境壓力達(dá)到50 MPa，對(duì)X 形圈的密封性能提出了更高的要求。

　　目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)X 形圈的密封性能的研究較少。本文作者利用ANSYS 有限元軟件建立了深海液壓系統(tǒng)X 形橡膠圈密封結(jié)構(gòu)的二維軸對(duì)稱模型，分析了不同密封狀態(tài)下，壓縮率、密封壓力、摩擦因數(shù)等因素對(duì)其密封性能和相關(guān)應(yīng)力的影響，為研究深海環(huán)境下X 形圈的密封性能提供參考。

　　1、有限元分析模型

　　1.1、仿真模型

　　根據(jù)密封技術(shù)手冊(cè)確定深海液壓系統(tǒng)X 形圈密封結(jié)構(gòu)及其仿真模型，如圖1 所示。

X 形圈密封結(jié)構(gòu)及其仿真模型

圖1 X 形圈密封結(jié)構(gòu)及其仿真模型

　　X 形圈密封結(jié)構(gòu)中，X 形圈線徑為3.53 mm，密封槽寬度為3.9 mm，槽底圓角半徑為0.3 mm，倒角半徑為0.1 mm，最大壓縮量為0.5 mm。

　　仿真模型中，X 形橡膠圈采用超彈性單元PLANE182，彈性模量E = 14.04 MPa，泊松比ν =0.499，X 形圈密封結(jié)構(gòu)的接觸類型為剛?cè)峤佑|，剛性面為目標(biāo)面、柔性面為接觸面，接觸單元分別采用TARGE169、CONTA172 單元。

　　1.2、橡膠模型

　　橡膠是一種近似不可壓縮、高彈性、高度非線性的超彈性體，在ANSYS 中可采用簡(jiǎn)化后僅有2 個(gè)材料參數(shù)的Mooney-Rivlin 模型，即W =C10( I1 - 3) +C01( I2 - 3) ，其中I1，I2為應(yīng)力張量不變量，C10、C01分別取1.87、0.47 MPa。

　　1.3、基本假設(shè)

　　根據(jù)模型邊界特點(diǎn)，可做如下假設(shè)：

　　(1) 密封槽壁的剛度遠(yuǎn)大于橡膠，視為X 形圈的邊界約束；

　　(2) X 形圈具有確定的彈性模量、泊松比；

　　(3) X 形圈受到的壓縮視為由缸體約束邊界的位移引起；

　　(4) X 形圈材料是均勻連續(xù)的。

　　1.4、載荷

　　基于以上假設(shè)，可施加以下載荷:

　　(1) 預(yù)壓縮，根據(jù)預(yù)壓縮率，沿壓縮方向施加一定的位移；

　　(2) 環(huán)境壓力，深海環(huán)境壓力為50 MPa；

　　(3) 密封壓力，在X 形圈接觸油液的一側(cè)施加密封壓力；

　　(4) 位移，缸體相對(duì)密封槽向右移動(dòng)10 mm。