純水介質液壓支架蕾形組合密封的性能分析

周新建，位凱濤，李 治，丁林海

(1.西安科技大學機械工程學院，陜西西安 710054；2.西安重裝銅川煤礦機械有限公司，陜西銅川 727031)

引言

液壓支架是煤炭開采過程中重要的支護設備，而目前液壓支架以乳化液為工作介質，對于乳化液而言不但成本高，泄漏也會污染環境。鑒于此，西安科技大學與西安重裝銅川煤機廠合作，進行以純水為傳動介質的液壓支架相關技術研究。純水介質液壓技術的應用，節約了工作介質使用成本，杜絕了泄漏對工作環境的污染，起到了節能、清潔、環保綠色開采的效果。密封件是液壓支架關鍵核心組件，其性能對液壓支架正常工作起至關重要作用。蕾形密封是液壓支架常用的一種密封形式，現有密封結構主要適用于液壓油和乳化液的工作介質，而設計用純水介質的蕾形密封結構很少見。本研究以純水介質液壓支架活塞桿密封的蕾形密封組合為例，設計一種新型蕾形組合密封結構，采用有限元仿真分析軟件建模，分析直徑間隙和液壓支架工作壓力對其密封性能的影響[1]。

1 模型結構的理論分析

1.1 蕾形組合結構分析

蕾形組合密封圈是活塞桿密封的常見形式之一，用于液壓支架活塞桿與導向套之間的密封[2]，其組合結構由3個元件構成，分別為聚氨酯密封體、橡膠彈性體，以及聚甲醛支撐環，如圖1所示為蕾形密封組合結構示意圖。

1.支撐環 2.密封體 3.彈性體圖1 蕾形密封組合結構示意圖

純水與液壓油或者是乳化液相比其性能方面有很大差異，包括其自身的一些物理特性，比如：潤滑性、黏度以及導電性，而在相同的溫度下純水的運動黏度為液壓油黏度的1/40～1/30，因而在同等泄漏間隙下為液壓油泄漏的30～40倍[3]。因此，現有適用于乳化液的蕾形密封結構不完全適用于純水液壓支架的密封，研究純水液壓支架的蕾形組合密封顯得十分重要。

1.2 模型計算理論分析

以ZY12000-22-45D型號液壓支架為例，其中缸直徑400 mm，進油量為400 L/min，最大承受壓力為31.5 MPa，根據公式:

(1)

式中，v—— 活塞桿移動速度

Q—— 進油量

D—— 中缸直徑

代入以上數據得：v=0.212 m/s。

根據HERMANN Schlichting教授給出的邊界層厚度估算公式為：

(2)

式中，μ—— 流體運動黏度系數

l—— 流體流過固體表面長度

υ—— 流體流動的速度

ZY12000-22-45D型號液壓支架，其活塞桿運動速度為0.212 m/s，密封界面長度為20 mm,在20 ℃時水的運動黏度系數1.0067×10-6m2/s，即密封界面的邊界厚度為1.54 mm。

通過估算，液壓支架密封桿的邊界層厚度遠遠高于其密封間隙的高度，因此可以用邊界層理論來討論液壓支架活塞桿密封界面流體密封問題。

由于能用邊界層理論來進行分析，根據雷諾數Re判斷流體狀態，雷諾數的公式為：

(3)

已知活塞桿運動速度v為0.212 m/s，特征長度d為2h，h指密封間隙的高度，其通常為μm級，假設其密封間隙高度為10 μm，則其密封界面的雷諾數為：

根據相關經驗，在狹窄的空間中流體極端條件從層流向紊流過度的最小雷諾數為500，因此液壓支架的流動狀態為層流狀態[4-5]。

2 建立分析模型

2.1 蕾形組合密封模型的建立

根據以上計算，如圖1所示蕾形組合密封件的結構、載荷以及約束都是關于活塞桿中心對稱，所以可以將三維模型轉化為二維模型進行分析，既蕾形組合密封件模型只選取其密封件和溝槽的截面進行分析[6-9]。該模型分為5個部分，如圖2所示，密封組合為耐水解自潤滑性較好的密封材料[10]。蕾形密封組合模型如圖2所示，其中λ表示直徑間隙。

1.支撐環 2.密封體 3.內環體 4.彈性體 5.外環體圖2 蕾形密封組合模型圖

2.2 蕾形組合密封模型網格劃分

模型建立后，根據蕾形組合密封性能及結構和液壓支架承重載荷及密封性能以及材料的非線性化等特點，對簡化的三維模型進行網格劃分，在網格劃分的同時分別把內環體3和外環體5的屬性設置為hard,把密封體2和彈性體4的屬性設置為soft,而在密封體與內外環體以及橡膠體接觸的地方的摩擦系數設置為0.2，通過網格劃分共有4312個節點，4118個網格元素，如圖3所示。

圖3 網格劃分模型圖

3 蕾形密封組合性能分析

純水介質液壓支架是以純水為傳動介質的液壓執行機構，所以本研究分析的蕾形密封組合材料必須是是耐水解而且自潤滑性較好的材料，即支撐環和密封體均為耐水解且自潤滑性較好的聚甲醛材料和聚氨酯材料，而彈性體則為橡膠材料。建立添加材料屬性，如表1、表2為密封體和彈性體的材料參數，而內環體和外環體為剛體，在材料庫中默認為“structural steel”。模型和材料以及網格劃分完成以后，根據液壓支架實際工況進行模擬分析，由于密封效果主要取決于組合密封體和內外環體的接觸應力[11-12]，故主要分析組合密封圈的接觸應力，由于支撐環對接觸應力的影響較小，故可以將支撐環在模型中省略，以便簡化模型。

表1 橡膠材料參數 MPa

表2 聚氨酯材料參數 MPa

通過實際調查發現，液壓支架的空載啟動壓力為2 MPa，而普遍液壓支架的滿載載荷為31.5 MPa，所以組合密封體一定要滿足液壓支架的空載和滿載。既本研究通過直徑間隙λ的值分別為0.40, 0.55, 0.75 mm，來模擬分析液壓支架承重載荷為2.0, 21.5, 31.5, 41.5 MPa密封組合的密封特性。

3.1 直徑間隙為0.4 mm，不同載荷密封特性分析

本研究設定，當密封體2與內環體3接觸時其直徑間隙為0.75 mm，而當直徑間隙為0.40 mm時，其密封體2和彈性體4處于壓縮狀態。分析表明：當空載啟動壓力為2 MPa時，其最大Von Mises應力為19.973 MPa，當載荷為21.5, 31.5, 41.5 MPa時，其最大Von Mises應力為53.44, 71.893, 76.321 MPa，其應力應變云圖如圖4所示。

圖4 直徑間隙為0.40 mm應力應變云圖

3.2 直徑間隙為0.55 mm，不同載荷密封特性分析

當直徑間隙為0.55 mm，此時密封體2和彈性體4也處于壓縮狀態，其在不同載荷下，最大接觸應力值與直徑間隙為0.40 mm時的最大應力值相差不大，既當載荷為2.0, 21.5, 31.5, 41.5 MPa時，最大Von Mises應力為18.919, 49.974, 68.747, 73.592 MPa，其應力應變云圖如圖5所示。

圖5 直徑間隙為0.55 mm應力應變云圖

3.3 直徑間隙為0.75 mm，不同載荷密封特性分析

當直徑間隙為0.75 mm，彈性體2和彈性體4處于自然狀態，此時密封體2與內環體3接觸，但是密封體2并無壓縮，其在不同載荷下，最大接觸應力值與直徑間隙為0.40 mm和0.55 mm時的最大接觸應力值有一些差別，造成此差別原因是由于此時密封體處于無壓縮狀態，即當載荷為2.0, 21.5, 31.5, 41.5 MPa時，各個最大Von Mises應力為6.0862, 34.496, 56.67, 59.296 MPa，其應力應變云圖如圖6所示。

圖6 直徑間隙為0.75 mm應力應變云圖

3.4 結果分析

根據圖4～圖6應力應變云圖可知，當直徑間隙在0.40，0.55，0.75 mm時，載荷壓力為2.0，21.5，31.5，41.5 MPa時，其最大接觸應力受力點基本都是在密封體2與內環體3和外環體5相接觸的位置。其對應的最大Von Mises應力如表3所示。

表3 不同水壓、不同直徑間隙條件下最大Von Mises應力數值 MPa

據調查研究發現，液壓支架的空載啟動壓力為2.0 MPa，在空載啟動時最容易發生泄漏，特別是針對純水介質的液壓支架，因為純水的黏度遠遠低于液壓油的黏度，但是根據表3可知，此種新型密封結構的直徑間隙為0.40, 0.55, 0.75 mm時其不同的載荷下，最大接觸應力遠高于施加的載荷壓力，此時密封性能處于良好狀態。

當直徑間隙為0.75 mm，此時密封體2和彈性體4與內環體處于自然狀態，并無壓縮，即直載荷壓力在2.0, 21.5, 31.5, 41.5 MPa時其對應的最大接觸應力與直徑間隙為0.40 mm和0.55 mm時對應相同的載荷時的最大接觸應力相比較遠低于其對應的最大接觸應力，密封效果明顯低于直徑間隙為0.40 mm和0.55 mm的密封效果。

而當直徑間隙為0.40 mm時，不同載荷下對應的最大接觸應力，比直徑間隙為0.75 mm不同載荷對應的最大接觸應力明顯偏高，但對于直徑間隙為0.55 mm 時不同載荷對應的最大接觸應力相差不大，密封性能也相差不大。但是直徑間隙為0.40 mm，載荷為41.5 MPa時，其最大Von Mises應力在76.321 MPa，如圖4d所示，密封體2與彈性體4發生略微變形，在直徑間隙為0.75 mm和0.55 mm時，在同樣的載荷情況下，如圖5d、圖6d所示，密封體2和彈性體4相對直徑間隙為0.40 mm時，其并未發現明顯的變形。

4 結論

本研究采用新型蕾形組合密封結構，通過對純水介質液壓支架的不同直徑間隙和不同載荷下的密封問題進行分析，得出以下結論：

(1) 當純水介質液壓支架空載啟動壓力為2.0 MPa時，此新型密封結構滿足密封要求，并且有良好的密封性能;

(2) 在不同直徑間隙下，隨著載荷的不斷增加，其最大接觸應力在不斷增加，而最大接觸應力的應力點在密封體2與內環體3和外環體5相接觸的位置，且此新型蕾形密封結構都具有良好的密封性能;

(3) 直徑間隙在0.40～0.75 mm時，純水介質液壓支架蕾形密封組合最佳的密封間隙在0.55 mm，此時的密封性能比直徑間隙在0.40 mm是密封性能好，而和直徑間隙在0.75 mm時的密封性能幾乎一樣。

純水介質液壓支架是將來液壓支架發展的一個方向，而本研究結果可為設計密封的工程技術人員提供參考。