深海液壓缸活塞桿密封仿真分析

張毅，曹學(xué)鵬

(1.太原學(xué)院機(jī)電工程系，山西太原 030032；2.長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西西安 710064)

0 前言

深海液壓缸是深海裝備主要的末端執(zhí)行裝置，在勘探、抓取等工作場景中應(yīng)用廣泛[1]。深海環(huán)境最主要特點(diǎn)是環(huán)境壓力大，下潛深度增加100 m，環(huán)境壓力就增大1 MPa[2-4]。活塞桿Y形密封圈是阻隔油液泄漏、防止海水侵入液壓缸的關(guān)鍵零件[1]。為確保液壓缸在深海工作的可靠性，對活塞桿的Y形圈進(jìn)行分析顯得尤為重要。

國內(nèi)外學(xué)者對深海密封用的O形密封圈研究較多。曹淑華、樊智敏、王啟林、劉鵬等人[5-8]對O形密封圈在深海高壓環(huán)境中的密封應(yīng)力進(jìn)行仿真，并分析了不同因素對密封應(yīng)力的影響，探討了在深海環(huán)境中O形圈密封的性能。迪力夏提·艾海提、王琦等人[9-10]計(jì)算了Y形圈的變形、應(yīng)力分布等，對Y形圈密封性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了研究。閆志剛[1]從提高可靠性的角度對深海液壓缸及密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了耐環(huán)境設(shè)計(jì)和故障分析。

目前，對深海高壓環(huán)境中Y形圈往復(fù)動密封的研究較少。本文作者利用ANSYS 軟件對深海液壓缸活塞桿往復(fù)動密封進(jìn)行仿真并分析深海環(huán)境壓力對各種密封應(yīng)力的影響，為深海高壓環(huán)境中Y形圈的密封設(shè)計(jì)提供參考。

1 仿真建模

根據(jù)GB 10708.1—2000，以液壓缸活塞桿用Y形圈為例，活塞桿密封槽、Y形圈的型式、尺寸如圖1所示。其中，工作狀態(tài)下Y形圈的外徑D=50 mm、內(nèi)徑d=40 mm、溝槽長度h=6.3 mm，Y形圈安裝在溝槽內(nèi)，液壓缸活塞桿相對于Y形圈作往復(fù)運(yùn)動[11]。

圖1 密封槽和Y形圈結(jié)構(gòu)

為提高計(jì)算效率，假設(shè)缸體、活塞桿、Y形圈完全軸對稱安裝，則有限元分析過程中可以將密封模型簡化為二維軸對稱模型，如圖2所示。

圖2 密封模型的有限元分析簡化模型

Y形圈材料為丁腈橡膠，在ANSYS中采用兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型來表征橡膠密封圈的超彈本構(gòu)關(guān)系。橡膠應(yīng)變能勢函數(shù)[6-8]為

深海液壓缸活塞桿密封圈主要有安裝、活塞桿外伸和活塞桿收回3種工作狀態(tài)，ANSYS仿真分析過程中，施加4個載荷：

(1)安裝載荷：缸體固定，活塞桿下移壓縮Y形圈；

(2)環(huán)境載荷：垂直于Y形圈最外層輪廓由外向內(nèi)施加環(huán)境壓力載荷；

(3)活塞桿外伸載荷：活塞桿向右移動；

(4)活塞桿收回載荷：Y形圈左側(cè)施加液壓油壓力載荷，活塞桿向左移動。

液壓缸缸體和活塞桿材料為高性能耐腐蝕鋁合金，彈性模量遠(yuǎn)大于橡膠的彈性模量，則仿真過程中缸體和活塞桿的變形可以忽略不計(jì)[12-16]。

2 仿真分析

根據(jù)Y形圈密封原理，密封性能主要通過Y形圈的von Mises應(yīng)力以及Y形圈與活塞桿之間的接觸應(yīng)力來判斷。Y形圈和缸體、活塞桿之間應(yīng)具有一定的接觸長度且最大接觸應(yīng)力要大于液壓油液壓力。von Mises應(yīng)力可以反映Y形圈內(nèi)部應(yīng)力分布情況，von Mises應(yīng)力大的區(qū)域也是Y形圈最容易發(fā)生破壞和裂紋的區(qū)域。

2.1 安裝狀態(tài)密封分析

向Y形圈施加安裝載荷，模擬Y形圈的安裝狀態(tài)，接觸應(yīng)力和von Mises應(yīng)力分布如圖3所示。可知：安裝狀態(tài)下，Y形圈唇部被壓縮，唇部外側(cè)與缸體、活塞桿形成一定長度的接觸，唇部外側(cè)最外沿的接觸應(yīng)力最大，唇部內(nèi)側(cè)底部von Mises應(yīng)力最大，唇部外側(cè)與密封圈基座連接處von Mises應(yīng)力也較大，這兩處是比較容易發(fā)生破壞的區(qū)域。

圖3 安裝狀態(tài)密封應(yīng)力分布

壓縮率分別為15%、20%、25%時，安裝狀態(tài)下最大接觸應(yīng)力pmax和最大von Mises應(yīng)力σmax隨下潛深度h的變化如圖4所示。可知：安裝狀態(tài)下，隨著下潛深度的增大，最大von Mises應(yīng)力基本不變，最大接觸應(yīng)力增幅較大，壓縮率為25%時增幅約為31%，壓縮率為20%時增幅約為11%，壓縮率為15%時增幅約為6%；增大壓縮率，最大接觸應(yīng)力減小、最大von Mises應(yīng)力增大。

圖4 不同壓縮率下安裝狀態(tài)密封應(yīng)力變化

2.2 活塞桿外伸狀態(tài)密封分析

向Y形圈施加安裝載荷、環(huán)境載荷、活塞桿外伸載荷，模擬活塞桿外伸狀態(tài)。接觸應(yīng)力和von Mises應(yīng)力分布如圖5所示。可知:活塞桿外伸移動對Y形圈應(yīng)力影響較大，Y形圈壓縮變形增大，唇部外側(cè)與缸體、活塞桿接觸長度增大，底部與密封槽側(cè)壁接觸應(yīng)力增大，唇部內(nèi)側(cè)靠近底部區(qū)域von Mises應(yīng)力最大，唇部內(nèi)側(cè)底部仍然是容易發(fā)生破壞的區(qū)域。

圖5 活塞桿外伸狀態(tài)密封應(yīng)力分布

壓縮率分別為15%、20%、25%時，活塞桿外伸狀態(tài)時pmax和σmax隨深度的變化如圖6所示。可知：活塞桿外伸狀態(tài)下，隨著下潛深度的增大，最大von Mises應(yīng)力略有增大，增幅低于3%；最大接觸應(yīng)力變化幅度較大，壓縮率為15%時增幅約為37%，壓縮率為20%時增幅約為24%，壓縮率為25%時增幅約為10%；增大壓縮率，最大接觸應(yīng)力減小、最大von Mises應(yīng)力增大。

圖6 不同壓縮率下活塞桿外伸狀態(tài)密封應(yīng)力變化

2.3 活塞桿收回狀態(tài)密封分析

向Y形圈施加安裝載荷、環(huán)境載荷、活塞桿收回載荷，油液壓力9 MPa，模擬活塞桿收回狀態(tài)。接觸應(yīng)力和von Mises應(yīng)力分布如圖7所示。可知：與前2種工作狀態(tài)相比，Y形圈總體被進(jìn)一步壓縮，Y形圈外側(cè)與缸體、活塞桿完全接觸，唇部、底部區(qū)域接觸應(yīng)力較大；密封槽側(cè)壁下倒角處von Mises應(yīng)力較大、上倒角處von Mises應(yīng)力最大，活塞桿移動時容易發(fā)生咬傷。

圖7 活塞桿收回狀態(tài)密封應(yīng)力分布

壓縮率分別為15%、20%、25%時，活塞桿收回狀態(tài)pmax和σmax隨深度的變化如圖8所示。可知:活塞桿收回狀態(tài)下，隨著下潛深度的增大，最大von Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力略有變化，von Mises應(yīng)力變化幅度小于6%，接觸應(yīng)力變化幅度小于3%;增大壓縮率，最大von Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力均減小。不同壓縮率下最大接觸應(yīng)力大于油液壓力，滿足密封要求。

圖8 不同壓縮率下活塞桿收回狀態(tài)密封應(yīng)力變化

油液壓力分別為3、6、9 MPa時，活塞桿收回狀態(tài)pmax和σmax隨下潛深度的變化如圖9所示。可知：活塞桿收回狀態(tài)下，隨著下潛深度的增大，最大接觸應(yīng)力基本保持不變，最大von Mises應(yīng)力略有變化，變化幅度約為2%。增大油液壓力，最大von Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力均增大，最大接觸應(yīng)力大于相應(yīng)的液壓油壓力，滿足密封的要求。

圖9 不同油液壓力下活塞桿收回狀態(tài)密封應(yīng)力變化

3 結(jié)論

(1)按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的液壓缸活塞桿Y形圈密封結(jié)構(gòu)能夠滿足深海高壓環(huán)境中的密封要求；

(2)由海面下潛至深海5 km的過程中，不同工作狀態(tài)下Y形圈最大von Mises應(yīng)力基本不變；安裝狀態(tài)下最大接觸應(yīng)力增大約6%～31%、活塞桿外伸狀態(tài)下最大接觸應(yīng)力增幅在10%～37%、活塞桿收回狀態(tài)下最大接觸應(yīng)力基本不變。

(3)安裝和活塞桿外伸狀態(tài)下，壓縮率增大時，最大接觸應(yīng)力減小、最大von Mises應(yīng)力增大；活塞桿收回狀態(tài)下，壓縮率增大時，最大von Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力均減小；油液壓力增大時，最大von Mises應(yīng)力和最大接觸應(yīng)力均增大。