液壓支架密封件失效原因的分析與改進

原云飛，陳建平

（晉城金焰機電有限責任公司，山西 晉城 048021）

引言

液壓支架作為煤炭綜采工作面的關(guān)鍵支護設(shè)備[1]，其工作的安全性和可靠性直接關(guān)系著井下礦工的安全及煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)注[2-3]。密封件作為煤炭液壓支架的重要組成部分，如活塞密封、活塞桿密封、靜密封等，其性能好壞決定著液壓支架能否輸出足夠的支撐力與穩(wěn)定保壓，滿足煤炭綜采工作面的支護要求[4]。市面上液壓支架密封件多種多樣，但性能相差巨大，進口密封圈的技術(shù)和使用壽命遠遠高于國產(chǎn)，有必要進行深入的研究工作以便提高我國密封件制造技術(shù)水平[5-6]。

1 密封件失效問題

液壓支架密封件雖然體積不大、價錢較為便宜，但被廣泛應(yīng)用于液壓支架的立柱、平衡千斤頂、推移千斤頂?shù)纫簤航Y(jié)構(gòu)件中，除了起到密封保壓之外還要配合活塞桿的升降動作，是液壓支架實現(xiàn)功能動作的基礎(chǔ)，也是造成泄漏問題的主要原因。某煤炭企業(yè)液壓支架立柱額定工作壓力約為31.5 MPa，介質(zhì)為乳化液，工作溫度范圍為-20~80℃，要求加載之后壓力腔鎖閉，檢測壓力腔初始1 min內(nèi)的壓降不能超過10%，但是在實際工程應(yīng)用過程中立柱出現(xiàn)了泄漏、壓降較大，最大壓降達到了18%，保壓效果較差的問題，嚴重影響了液壓支架的使用性能，給綜采工作面內(nèi)部人員和設(shè)備的安全造成了極大的威脅。

2 密封件失效原因的分析

出現(xiàn)液壓支架立柱泄漏、保壓效果差的問題之后組織相關(guān)專業(yè)人士對其進行了分析，找出問題原因。立柱液壓缸觀察結(jié)果顯示，液壓支架立柱液壓缸表面存在明顯的乳化液泄漏情況，由此可以推斷保壓較差原因不是活塞密封失效引起的。之后將立柱液壓缸拆卸，得到活塞桿密封件，為Y形圈+O形彈性體+擋圈的組合結(jié)構(gòu)，應(yīng)用溝槽斷面尺寸為12.5 mm×20 mm，O形彈性體線徑為Φ3.5 mm，相關(guān)研究表明，Y形圈與O形彈性體的搭配比例對于密封性能影響作用明顯，一旦搭配比例不當就會導(dǎo)致密封位置泄漏，使液壓缸內(nèi)的壓力降低，保壓效果大大降低，故而出現(xiàn)了立柱保壓效果差的問題。為了確定液壓支架密封件失效的原因，借助ABAQUS有限元仿真分析軟件，對立柱密封件工作狀態(tài)進行仿真計算。

2.1 有限元模型的建立

依據(jù)立柱密封件結(jié)構(gòu)尺寸，利用SolidWorks三維建模軟件完成Y形圈+O形彈性體+擋圈的三維模型，另存為.igs文件。將密封件三維模型導(dǎo)入ABAQUS仿真計算軟件進行材料屬性的設(shè)置，其中Y形圈的材料為NB308，O形彈性體材料為PU2，擋圈材料為POM，直接由ABAQUS仿真計算軟件的材料庫調(diào)用。之后運用自由劃分網(wǎng)格的方法進行網(wǎng)格劃分，Y形圈和O形彈性體設(shè)置四結(jié)點雙線性軸對稱四邊形雜交單元CAX4RH，擋圈設(shè)置四結(jié)點雙線性軸對稱四邊形單元CAX4R，網(wǎng)格劃分結(jié)果如下頁圖1所示。

圖1 密封件網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 載荷施加與約束條件設(shè)置

將活塞桿設(shè)置為固定約束，不存在位移值，設(shè)置立柱套筒為位移約束，用于模擬實際密封件的預(yù)壓縮狀態(tài)。根據(jù)液壓支架立柱液壓油缸的實際工作情況，設(shè)置密封件承壓一側(cè)為壓應(yīng)力載荷，大小為31.5 MPa。之后進行立柱密封件約束的施加，對密封件與套筒接觸的表面設(shè)置表面接觸，要求不發(fā)生嵌入或者穿透等情況。完成液壓支架立柱密封件載荷施加與約束條件設(shè)置之后即可調(diào)用ABAQUS有限元仿真計算軟件自帶求解器進行有限元分析計算。

2.3 仿真計算結(jié)果與分析

運用ABAQUS仿真計算軟件完成線徑Φ3.5 mm活塞桿密封結(jié)構(gòu)仿真計算，調(diào)取密封件初始預(yù)壓狀態(tài)和工作狀態(tài)的應(yīng)力分布云圖，如圖2所示。為了直觀準確地獲取活塞桿密封件與立柱套筒接觸面上的應(yīng)力分布狀態(tài)，提取了接觸面剖面外輪廓上的應(yīng)力分布曲線，如圖3所示。

圖2 活塞桿密封應(yīng)力（MPa）分布狀態(tài)

由圖3密封件外圓周應(yīng)力分布曲線可以看出，在活塞密封件預(yù)壓過程中，Y形圈的主唇口和副唇的位置存在較大的接觸應(yīng)力，數(shù)值分別為48 MPa和45 MPa。在活塞密封件承受31.5 MPa的工作壓力狀態(tài)下，Y形圈的主唇口和副唇的位置存在較大的接觸應(yīng)力，數(shù)值分別為66 MPa和117 MPa。密封件所受接觸應(yīng)力越大，實際應(yīng)用過程中的變形就越大，使得O形彈性體產(chǎn)生較大的接觸變形，進而過早的出現(xiàn)永久變形，降低O形彈性體使用過程中的密封性能，嚴重了就出現(xiàn)了泄漏問題。

圖3 密封件內(nèi)圓應(yīng)力分布

3 密封件結(jié)構(gòu)的改進

3.1 密封件結(jié)構(gòu)的改進方法

液壓支架活塞密封件出現(xiàn)泄漏密封效果變差的原因是當前密封件與立柱套筒之間存在較大的變形應(yīng)力，二者之間配合較緊，使Y形圈+O形彈性體+擋圈的組合密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形，尤其是起密封作用的O形彈性體，在較大的永久變形下會失去原有彈性，導(dǎo)致其過早失效，高壓乳化液會沿套筒與密封件縫隙滲出，產(chǎn)生泄漏。此處從O形彈性體的線徑出發(fā)進行密封件結(jié)構(gòu)改進，將O形彈性體的線徑由Φ3.5 mm提高到Φ6.99 mm，保證密封圈結(jié)構(gòu)尺寸不變，相對地減小Y形圈的厚度，以便提高密封件的密封性能。

3.2 改進效果的驗證

對改進之后的活塞桿密封件進行有限元仿真計算，前處理過程同原仿真過程，調(diào)取活塞桿密封初始預(yù)壓縮狀態(tài)和工作狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)分布云圖，如下頁圖4所示。同樣提取兩種狀態(tài)下活塞桿內(nèi)圓面的應(yīng)力分布曲線，結(jié)果如下頁圖5所示，預(yù)緊狀態(tài)時存在兩個應(yīng)力峰值，出現(xiàn)在Y形圈主唇口和副唇附近，應(yīng)力值分別為35 MPa、37 MPa；工作狀態(tài)時同樣存在兩個應(yīng)力峰值，出現(xiàn)在Y形圈主唇口和副唇附近，應(yīng)力值為47 MPa、109 MPa。

圖4 改進活塞桿密封應(yīng)力（MPa）分布狀態(tài)

圖5 改進密封件內(nèi)圓應(yīng)力分布

與活塞桿密封改進之前相比較，增大O形圈線徑降低了Y形圈主唇口和副唇附近的應(yīng)力峰值，有利于提高密封件的使用壽命和密封性能，起到了較好的改進效果。

4 結(jié)論

1）在預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)時，Y形圈主唇口和副唇附近存在應(yīng)力峰值，立柱泄漏、保壓效果差的原因是工作過程中O形彈性體承受較大接觸應(yīng)力，接觸變形過大，出現(xiàn)了永久變形。

2）在密封件結(jié)構(gòu)尺寸不變的前提下，將O形彈性體線徑由Φ3.5 mm提高到Φ6.99 mm之后，仿真計算結(jié)果表明，降低了預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)時Y形圈主唇口和副唇附近存在應(yīng)力峰值，取得了很好的改進效果。