氣動(dòng)平衡器O形密封圈密封性能分析與試驗(yàn)

邵瑞影 王洪軍 宋 娟 葛偉偉

(①青島黃海學(xué)院智能制造學(xué)院，山東 青島 266427；②青島萬寶壓縮機(jī)有限公司，山東 青島 266427)

隨著社會(huì)科技的進(jìn)步，氣動(dòng)裝置發(fā)展迅速，逐漸占據(jù)了吊裝領(lǐng)域[1]。氣動(dòng)平衡器的工作原理是通過改變缸體內(nèi)氣體的壓力，促使活塞往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，活塞的直線運(yùn)動(dòng)可通過絲杠轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，卷筒纏繞鋼絲繩完成升降重物的工作[2]。在氣動(dòng)平衡器中，密封性能決定著設(shè)備的工作效果[3]。密封效果達(dá)不到要求，會(huì)影響項(xiàng)目的正常進(jìn)行，增加成本支出，甚至?xí)l(fā)安全問題[4]。O形密封圈主要用于零部件結(jié)合面之間、旋轉(zhuǎn)軸與安裝座等地方的密封[5]。根據(jù)氣動(dòng)平衡器密封要求及各密封形式的適用場合，氣動(dòng)平衡器活塞與氣缸之間采用O形密封圈密封。O 形密封圈具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[6]。現(xiàn)階段已有眾多學(xué)者對O形密封圈的靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和摩擦學(xué)展開深入研究[7]。

本文以氣動(dòng)平衡器中的O形密封圈為研究對象，分析其密封性能，得出應(yīng)力變化規(guī)律，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證裝置的密封效果。

1 模型建立

1.1 物理模型

氣動(dòng)平衡器是一種氣動(dòng)吊裝設(shè)備，常應(yīng)用于機(jī)械加工、裝配車間，能夠?qū)崿F(xiàn)工件快速搬運(yùn)，提高裝配精度和工作效率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度[8]。如圖1所示，氣動(dòng)平衡器主要由端蓋、氣缸、活塞、O形密封圈、滾珠絲杠螺旋副和推力軸承等組成。

1.2 有限元模型

橡膠密封件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為簡化結(jié)構(gòu)，將三維模型簡化為二維軸對稱平面圖形。圖2所示為氣動(dòng)平衡器O形密封圈有限元模型。活塞孔用O形密封圈規(guī)格為185 mm×7 mm。選用PLANE183 四邊形8節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格劃分單元，用線性單元表示溝槽。在接觸表面中選用同樣的摩擦因數(shù)[9]。

1.3 模型的基本假設(shè)

(1)氣缸的彈性模量遠(yuǎn)大于O形密封圈的彈性模量，定義氣缸為剛體。

(2)忽略誤差的影響，設(shè)氣缸密封為軸對稱結(jié)構(gòu)[10]。

(3)O 形密封圈材料具有各向同性、均勻連續(xù)的特性[11]。

(4)O 形密封圈具有確定的彈性模量和泊松比[12]。

1.4 邊界條件

O形密封圈在安裝后工作過程中受到單側(cè)工作壓力的作用[13]。所以在ANSYS中的模擬操作步驟為：

(1)在氣缸施加一個(gè)由上到下位移載荷，作用在O形密封圈上，模擬預(yù)壓縮力變形。

(2)在密封圈右側(cè)施加均布?jí)毫d荷，模擬工作狀態(tài)下密封圈的應(yīng)力應(yīng)變。

2 結(jié)果與分析

在工程應(yīng)用中，通常用接觸應(yīng)力和von Mises應(yīng)力來衡量裝置的密封性能[14]。氣動(dòng)平衡器工作時(shí)，懸掛物體的重量決定著缸體內(nèi)氣體的壓力，不同重量對應(yīng)的壓力不同。在模擬計(jì)算時(shí)，選取工作壓力分別為0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa，在預(yù)壓縮率為5 %、10 %、20 %下的密封性能。分析結(jié)果如圖3～8所示。

由圖3～8可知，預(yù)壓縮率不變，工作壓力增加時(shí)，最大接觸應(yīng)力和von Mises應(yīng)力都增大，密封圈中間位置受力較大，容易發(fā)生變形。預(yù)壓縮率越大，氣動(dòng)平衡器的密封性越好，但是預(yù)壓縮率過大會(huì)造成O形密封圈疲勞磨損，降低密封圈的使用壽命，所以要合理選擇密封圈的預(yù)壓縮率。

不同預(yù)壓縮率下，最大接觸應(yīng)力和von Mises應(yīng)力與工作壓力間的變化規(guī)律如圖9和10所示。

由圖9～10可知，工作壓力不變時(shí)，預(yù)壓縮力增大，O形密封圈的最大接觸應(yīng)力和von Mises應(yīng)力也變大，但是預(yù)壓縮率越大，應(yīng)力受到壓力的影響程度越小。對于氣動(dòng)平衡器而言，預(yù)壓縮率決定著密封效果，在設(shè)置預(yù)壓縮率時(shí)，要適當(dāng)增大預(yù)壓縮率，同時(shí)還要保證密封圈受力壓縮時(shí)不產(chǎn)生永久性變形。所以，取預(yù)壓縮率為20 %時(shí)，應(yīng)力受到工作壓力的影響較小，產(chǎn)生的變形也可恢復(fù)，能夠滿足裝置的密封要求，也能延長O形密封圈的使用壽命。

3 密封試驗(yàn)測試

圖11為氣動(dòng)平衡器密封性能的測試試驗(yàn)裝置。

壓力越大，對密封的要求越高。表1是用氣壓表測得氣缸壓力與重物重量之間的對應(yīng)數(shù)據(jù)表。

表1 氣缸壓力與重物重量的關(guān)系

為更好地檢驗(yàn)氣動(dòng)平衡器的密封效果，選取質(zhì)量為100 kg的物體，靜止懸掛在空中并做相關(guān)數(shù)據(jù)的測量：

(1)不同時(shí)間氣缸內(nèi)氣壓的變化；

(2)不同時(shí)間內(nèi)物體相對于初始位置下降的距離。

經(jīng)試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 密封性能測試

由表2可知，每隔30 min測量一次物體下降的高度和缸內(nèi)氣壓，經(jīng)過120 min，缸內(nèi)氣體壓力和下降高度保持穩(wěn)定，下降距離為10 mm，則計(jì)算泄漏量為2.59 mL/min<(3+0.15D)=32.85 mL/min，表明氣動(dòng)平衡器O形密封圈的密封性能良好，能夠滿足現(xiàn)場工作的需要。

4 結(jié)語

(1)以氣動(dòng)平衡器中的O形密封圈為研究對象，在ANSYS中建立O形密封圈與氣缸的二維軸對稱圖形，得出不同預(yù)壓縮率和工作壓力下應(yīng)力的變化規(guī)律。

(2)當(dāng)預(yù)壓縮率不變時(shí)，工作壓力增加，O形密封圈所受到的最大接觸應(yīng)力和von Mises應(yīng)力增大；當(dāng)工作壓力不變時(shí)，預(yù)壓縮率增大，密封圈的最大接觸應(yīng)力和von Mises應(yīng)力同樣增大，且預(yù)壓縮率越大，最大接觸應(yīng)力和von Mises應(yīng)力受到壓力的影響程度越小。

(3)O形密封圈中間位置受力最大，容易發(fā)生永久性變形或破裂的情況，預(yù)壓縮率取20%時(shí)，其密封效果最好，使用壽命較長。

(4)搭建測試氣動(dòng)平衡器密封性能的試驗(yàn)平臺(tái)，將重物提升一定高度后，每間隔半小時(shí)對重物距離地面的高度進(jìn)行測量，最后通過重物下降的距離來計(jì)算泄露量，根據(jù)試驗(yàn)測試結(jié)果可知所選的O形密封圈具有良好的密封性能，能夠滿足現(xiàn)場工作的需要。