液壓支架蕾形密封圈應(yīng)力分布研究*

□ 張盼盼 □張麗英 □任曉霞 □張子英 □吳鳳彪

山西能源學(xué)院 機(jī)電工程系 太原 030600

1 研究背景

煤礦綜合機(jī)械化采煤液壓支架廣泛應(yīng)用于煤礦井下工作面。液壓支架主要由底座、鋼結(jié)構(gòu)支撐件、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。液壓系統(tǒng)中的立柱液壓缸用于調(diào)整支柱高度,并對(duì)工作面頂板進(jìn)行支撐,是主要的承載部件。千斤頂包括多個(gè)小型液壓缸,相比于支柱，承載較小,主要用于進(jìn)行支架推移、巷幫支護(hù)、調(diào)架等工作[1-6]。立柱和千斤頂作為液壓支架的主要?jiǎng)幼鲌?zhí)行機(jī)構(gòu),工作穩(wěn)定性和可靠性對(duì)采煤安全和煤炭生產(chǎn)效率影響較大。由于井下工作環(huán)境惡劣,多粉塵和腐蝕性介質(zhì),因此缸體密封件易發(fā)生損傷和提前失效,導(dǎo)致液體介質(zhì)泄漏,嚴(yán)重影響液壓缸的實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度和效果。另一方面,井下液壓系統(tǒng)所使用的壓力傳遞介質(zhì)為濃度95%的乳化液,相比于液壓油更容易發(fā)生泄漏。乳化液泄漏也將會(huì)造成井下環(huán)境污染,危害人員健康。

缸體各部分的密封件是保證液壓缸密封性的關(guān)鍵,為降低液壓支架缸體內(nèi)液體介質(zhì)外泄的概率,筆者對(duì)起活塞桿密封作用的蕾形密封圈進(jìn)行研究,分析不同狀態(tài)下的應(yīng)力分布規(guī)律,為液壓支架密封圈的改進(jìn)提供參考。

2 蕾形密封圈安裝

如圖1所示,蕾形密封圈一般安裝在液壓缸缸蓋內(nèi)側(cè)的密封槽中,與導(dǎo)向環(huán)、防塵圈等完成對(duì)活塞桿的動(dòng)密封和伸縮導(dǎo)向,防止高壓液體介質(zhì)在活塞桿靜態(tài)或動(dòng)態(tài)時(shí)產(chǎn)生泄漏。

▲圖1 蕾形密封圈安裝▲圖2 蕾形密封圈結(jié)構(gòu)

3 蕾形密封圈結(jié)構(gòu)

如圖2所示，液壓支架常用的蕾形密封圈一般由Y形密封圈、O形圈、擋板等組成[7]。Y形密封圈是主要密封元件,其主唇與活塞桿外圓緊密接觸,是保證密封性的關(guān)鍵。O形圈是彈性變形元件,朝向壓力介質(zhì)一側(cè)安裝,在受到液體介質(zhì)壓力作用時(shí)發(fā)生彈性變形,擠壓Y形密封圈主唇口產(chǎn)生變形,增大唇口與活塞桿的接觸應(yīng)力,增強(qiáng)密封效果[8]。為防止在活塞桿伸縮時(shí)Y形密封圈底部擠入活塞桿與缸蓋之間的配合間隙,一般在Y形密封圈底部添加材質(zhì)強(qiáng)度較高的聚甲醛墊圈。

4 密封性與接觸應(yīng)力關(guān)系

活塞桿的密封屬于往復(fù)式動(dòng)密封,當(dāng)活塞桿伸出時(shí),桿外圓面上附著的油液并不能完全被密封唇刮除,在桿表面上會(huì)形成一層厚度極薄的薄膜。同理,當(dāng)活塞桿縮回缸體內(nèi)部時(shí),桿表面的薄膜也不能完全返回,不能返回缸體內(nèi)的介質(zhì)體積就是液壓缸在往復(fù)運(yùn)動(dòng)一個(gè)周期中所產(chǎn)生的泄漏量。

對(duì)該部分泄漏量Vl進(jìn)行計(jì)算,為[9]:

(1)

5 有限元建模

為進(jìn)一步分析蕾形密封圈的應(yīng)力分布情況,筆者應(yīng)用ANSYS有限元軟件進(jìn)行工況模擬。

5.1 模型簡(jiǎn)化

為提高模型運(yùn)算效率,減少計(jì)算時(shí)間,對(duì)蕾形密封圈受力模型進(jìn)行簡(jiǎn)化[10-11]。

蕾形密封圈的結(jié)構(gòu)、安裝和受力均是關(guān)于活塞桿中心軸對(duì)稱的,因此可用二維軸對(duì)稱模型進(jìn)行模擬。

由于聚甲醛擋板的作用主要是防止密封擠傷,因此模型中不再加入。O形圈、Y形密封圈材質(zhì)分別為丁腈橡膠和聚氨酯,設(shè)定為彈性體,并且假設(shè)兩種材質(zhì)的彈性模量和泊松比在受力過(guò)程中不發(fā)生改變,總體積不改變。

活塞桿和缸蓋的彈性模量相比密封材質(zhì)足夠大,因此簡(jiǎn)化為剛體。

5.2 邊界條件及載荷

設(shè)定接觸條件，缸蓋與密封圈、密封圈與活塞桿分別設(shè)定接觸對(duì)和接觸條件。接觸算法采用增廣拉格朗日乘子法,以降低接觸剛度敏感性。

主要密封體材質(zhì)為聚氨酯，為準(zhǔn)確模擬材料非線性特性,單元模型采用近似不可壓縮穆尼-里夫林模型。

為模擬密封圈的預(yù)壓縮狀態(tài),應(yīng)在建模時(shí)將活塞桿表面與密封內(nèi)圈拉開(kāi)距離,不產(chǎn)生接觸,得到蕾形密封圈有限元裝配模型，如圖3所示。約束缸蓋模型的所有自由度,活塞桿僅保留徑向運(yùn)動(dòng)自由度。模擬第一步,使活塞桿向密封方向移動(dòng)一定距離,達(dá)到預(yù)壓縮的目的。模擬第二步,在密封圈左端面施加壓應(yīng)力,模擬液體介質(zhì)的作用。

▲圖3 蕾形密封圈有限元裝配模型

6 結(jié)果分析

6.1 不同載荷工況下平均應(yīng)力分布規(guī)律

為研究不同載荷工況下蕾形密封圈的密封效果,在預(yù)壓縮量為10%的條件下,分別在密封圈左側(cè)端面上施加5 MPa、15 MPa、30 MPa、60 MPa壓應(yīng)力外載荷,隱藏剛體顯示后,密封圈的平均等效應(yīng)力云圖如圖4所示。可見(jiàn)，在擠壓力作用下,最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在上下唇口與金屬表面接觸位置,且隨著外載荷的增大而增大。對(duì)比發(fā)現(xiàn),四種載荷對(duì)應(yīng)的唇口位置最大壓應(yīng)力分別為48 MPa、53 MPa、65 MPa、70 MPa,即始終大于外載荷應(yīng)力,可起到密封作用。但是，壓力差值和變化梯度逐漸減小,因此，密封效果會(huì)隨著外載荷的增大而減弱。

6.2 接觸應(yīng)力分布規(guī)律

在預(yù)壓縮量10%、外載荷30 MPa壓應(yīng)力的作用下,提取密封接觸面上的節(jié)點(diǎn)接觸應(yīng)力數(shù)值,繪制接觸應(yīng)力分布曲線，如圖5所示。可見(jiàn)，在主唇口位置出現(xiàn)顯著的接觸應(yīng)力峰值,且主唇口之前的壓力梯度變化較大,曲線陡峭,而主唇口之后的壓力梯度變化趨緩,曲線平緩,這與式(1)所推導(dǎo)的蕾形密封圈最佳密封狀態(tài)一致,由此可知,所設(shè)置的蕾形密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)可保證良好的密封性。

另一方面,在密封外側(cè)區(qū)域的平均等效應(yīng)力較小,為進(jìn)一步提高密封圈的密封性能,可在外側(cè)區(qū)域增加副唇結(jié)構(gòu),與主唇口形狀類似。通過(guò)局部凸起，在副唇位置產(chǎn)生一定的接觸應(yīng)力峰值,最終在密封界面上形成第二道密封。副唇還可以減小密封圈與活塞桿的接觸面積,降低摩擦和密封磨損。需要注意的是，為防止副唇影響主唇口的密封性,應(yīng)保證副唇的預(yù)壓縮量小于主唇口。

7 結(jié)束語(yǔ)

液壓支架在煤礦綜合機(jī)械化采煤工作面應(yīng)用廣泛。液壓支架中，上立柱、千斤頂?shù)雀左w的蕾形密封圈屬于往復(fù)式動(dòng)密封,在惡劣工況環(huán)境下易發(fā)生損傷,影響密封性。

▲圖4 不同載荷時(shí)蕾形密封圈平均等效應(yīng)力云圖▲圖5 接觸應(yīng)力分布曲線

為進(jìn)一步提高液壓支架的工作穩(wěn)定性和可靠性,筆者根據(jù)泄漏量理論計(jì)算公式,分析了接觸應(yīng)力分布對(duì)密封性的影響。應(yīng)用ANSYS有限元軟件建立了蕾形密封圈受力分析模型,模擬結(jié)果顯示，在不同外載荷條件下,蕾形密封圈的平均應(yīng)力分布和密封性能隨外載荷的變化而變化,但始終滿足密封要求,主唇口位置的接觸壓力峰值和兩側(cè)的梯度變化可以達(dá)到良好的密封效果。