基于伺服液壓缸往復運動的Y形密封圈結構參數優化①

雷雨念 陳奎生 湛從昌

(1:武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室 湖北武漢 430081；2:武漢科技大學機械自動化學院 湖北武漢 430081)

1 前言

作為液壓伺服系統中的一個執行元件，伺服液壓缸的性能直接關系著伺服系統運行的精度。液壓伺服系統對穩定性、精度和快速響應性上有著極高的要求[1]。因此，伺服缸的密封與泄漏的研究就顯得極為重要。Y型密封圈是液壓與氣動系統中常用的往復密封件之一。其具有結構簡單、使用壽命長、耐壓性好、可靠性高等優點。對Y型密封圈的研究大多都是采用了有限元分析模型。汝紹鋒等[2]分析了在初始壓縮率不同的情況下，Y型密封圈密封性能的變化規律。李騰等[3]探討了密封圈的唇外傾角以及唇谷高給密封圈密封性能帶來的影響。孟華榮等[4]分析了Y型密封圈在工作溫度、流體壓力等不同的情況下，最大剪切應力的位置和大小的變化。王剛等[5]研究分析了在壓縮率和載荷不同的情況下，Y型密封圈應力隨油壓的變化情況。Zhang Yajun等[6]分析了Y型密封圈在溫度和工作壓力不同的情況下，密封圈密封性能的變化。黃樂等[7]分析了Y型圈抗擠出能力隨工作壓力的變化情況。王世強等[8]分析了在不同的工作壓力下，密封圈的變形與壓力分布情況，并通過分析得出了密封圈接觸應力的分布規律。

Y形密封圈截面形狀復雜，不同的尺寸參數會直接影響密封圈的密封性能和使用壽命。目前，Y型密封圈的截面設計很難有統一的標準，很大程度上都依賴于設計師平時的工作積累[9]～[11]。本文在之前研究的基礎上對密封圈內外唇高度差和密封圈的唇厚度進行研究，利用ANSYS有限元分析軟件，模擬Y形密封圈的唇高度差和唇厚度在不同油壓下的應力和壓力分布情況，并分析不同的結構參數對密封圈密封性能的影響。

2 伺服液壓缸結構及其工作原理

液壓伺服系統是使位移、速度或力等能自動準確地隨著輸出量的變化而發生變化，而伺服液壓缸作為液壓伺服系統的執行元件，能夠實現系統機械能輸出，可以在高頻環境下驅動工作載荷，從而實現高精度、高響應控制，其性能的好壞直接影響著系統的控制精度。

圖1 伺服液壓缸結構圖1-活塞桿;2-防塵圈;3-前端蓋;4-Y型密封圈;5-支撐圈;6-缸體;7-螺母;8-連桿;9-套筒;10-安裝板;11-位移傳感器;12-位移傳感器支座;13-后端蓋

所選伺服液壓缸結構如圖1所示。圖1中，液壓缸通過液壓油產生的壓力進行往復運動時，防塵圈與外部空氣側相通，防止灰塵混入液壓缸的往復密封件中，導致活塞桿磨損；Y型圈作為密封件可以防止發生內泄露；支撐環起到支撐作用，防止金屬之間直接摩擦，保護活塞桿不被損壞。

3 有限元模型的建立

3.1 幾何模型結構參數

現以某液壓缸活塞桿用Y形密封圈為研究對象，所用密封圈型號為Y50×65×12.5，其材料為腈基丁二烯橡膠(NBR)，主要截面尺寸如圖2所示。

圖2 Y形密封圈參數化模型(mm)s-唇高度差;e-唇厚

3.2 有限元模型建立

根據密封圈及其相應的溝槽尺寸建立幾何模型。活塞桿基本直徑為50mm，密封圈安裝完成之后，活塞桿和缸蓋之間的間隙為0.2mm，密封圈工作壓力范圍為0～15MPa。活塞桿運動速度為0.1m/s～0.5m/s，端蓋與活塞桿之間的間隙為0.2mm。為了便于做有限元分析，現將密封圈材料做出以下考慮：

1)忽略其在運動過程中會發生的松弛和蠕變。

2)將橡膠密封圈的材料抽象為近視不可壓縮。

3)將密封圈材料視為各向同性且均勻連續。

4)忽略溫度的影響。

現將三維軸對稱結構簡化為二維軸對稱模型，并在施加載荷時使用較小的載荷增量，以此來保證計算收斂。

由于其應力表現為強烈的非線性，本文采用2個系數的Mooney-Rivlin模型[12]來對Y型密封圈材料進行分析。該材料的函數關系式如下：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中：W-應變勢能；

I1、I2-第一和第二Green應變不變量；

它與橡膠硬度H和彈性模量E的關系如下：

lgE=0.0198H-0.5432

(2)

E=6(C10+C01)

(3)

C01=0.25C10

(4)

材料硬度同溫度之間的關系為：

H=H0+φ(T-23)

(5)

式中：H-工作溫度下材料的硬度;

H0-標準溫度23℃時材料的硬度，單位IRHD；

圖8為0.125 g TNT炸藥球填實爆炸下，花崗巖中實測的球面波徑向粒子速度波形的時間特征隨比距離的變化關系。可以得到：在測點半徑10 mm處，波形上升沿ΔTr約為0.5 μs；在測點半徑120 mm處，ΔTr約為5.3 μs；二者相比，ΔTr展寬了約10倍。另外，ΔTr、波形半高寬ΔT1/2及波形正向脈寬ΔT+均有隨著比距離增加而增加的趨勢。球面波在花崗巖中傳播的展寬效應也反映了其非線性動力學響應的復雜性，基于理想彈性假設的波傳播理論，無法對其波形的傳播演化規律進行合理解釋。

φ-修正系數；

T-工作溫度，單位℃。

本文取修正系數φ取值為0.175，伺服液壓缸工作溫度T為23℃，標準溫度下硬度H0為85IRHD。經計算得到彈性模量E=14.44MPa，C10=1.87,C01=0.47。

做有限元分析時使用了兩個載荷步，先讓活塞桿移動到標準的位置，使其和端蓋之間的間隙為0.2mm，使密封圈處于壓縮狀態，然后施加流體壓力，活塞桿向前移動。為了避免Y型密封圈唇邊和密封圈之間接觸對的互相滲透，這里采用的求解方法為Lagrange法。當P=0MPa時，通過活塞桿的軸向移動得到Y型密封圈的初始有限元模型，情況如圖3所示，箭頭所指方向為活塞桿移動方向。

圖3 Y形密封圈軸向移動模型

4 計算結果與分析

4.1 對密封圈密封性能的影響

4.1.1 接觸壓力

利用ANSYS軟件對Y形圈模型進行模擬仿真，通過改變Y形圈的唇高度差s和油壓p，得到相應情況下的Von Mises應力云圖和接觸壓力云圖，并以此為依據，分析唇高度差對密封圈密封性能的影響。Von Mises應力即等效應力，反映了截面上的主應力差值的大小。Von Mises應力值越大的區域，材料越容易出現松弛，壽命越短，接觸應力的大小則直接反映了密封圈的密封性能。當最大接觸壓力不小于油壓p的時候，Y形密封圈才能保證其密封效果，接觸壓力越大，其密封性能越好。

當油壓為P=3MPa時，密封圈唇厚度e為2mm，摩擦系數f=0.2時，改變Y型密封圈內外唇高度差，密封圈與活塞桿的接觸壓力和與端蓋的接觸壓力情況如圖4所示。

由圖4可以看到密封圈的最大接觸壓力總是大于油壓的，而且唇高度差對于短唇接觸壓力的影響較大，對于長唇的接觸壓力沒有明顯影響。并且隨著唇高度差s的增大，密封圈的最大接觸壓力呈先增大再減小的趨勢，當s=1.25mm左右時，短唇唇接觸壓力達到最大值，之后呈現下降趨勢，當s的值大于2.25mm之后，模型不收斂。

圖4 內外唇最大接觸壓力

當流體壓力為3MPa，密封圈唇厚度e為2mm，摩擦系數f=0.2，唇高度差s取不同值時，Y密封圈兩邊唇的壓力分布圖如圖5所示。紅色區域為壓力大于3MPa的區域，即有效密封區域。

由圖5可看出，隨Y型密封圈唇高度差s變大，有效密封區域的長度也在隨之變短,綜合兩圖分析可知當s的值在0～1.25mm之間時，Y密封圈密封性能更好一些。

4.1.2 Y形密封圈應力分析

當摩擦系數取f=0.2，Y形密封圈唇高度差為1mm，密封圈唇厚度取2mm時，流體壓力P取分別取P=2MPa,P=4MPa,P=6MPa，此時密封圈應力云圖如圖6所示。

圖5 密封圈接觸壓力云圖

圖6 最大Von Mises分布情況

圖6可得，在不同流體壓力的情況下，Y型密封圈應力集中部位都是在唇谷的位置，現對不同s值的Y形密封圈分別進行分析，觀察其最大Von Mises應力的變化情況并對其密封性能指數β進行計算，變化情況如圖7、圖8所示。

圖7 最大Von Mises應力隨壓力變化圖

這里有：

β=(pmax-p0)/p0

(6)

式中：β-密封性能指數；

pmax-密封圈最大接觸壓力，單位MPa；

p0-所施靜態油壓，單位MPa。

綜合圖7圖8分析可得，取不同s值時密封圈最大Von Mises應力值如圖7所示。可以知道，最大Von Mises應力值隨靜態油壓的增大而增大，油壓較小時，五條曲線趨近重合，當油壓逐漸增大時，隨s值變大，密封圈最大Von Mises應力值有所減小。由圖8可得，隨著Y形密封圈油壓增大，密封性能指數β在逐漸減小，即密封圈的工作油壓有一個最合適的范圍，過高的油壓會使得密封圈的密封性能降低。

圖8 s不同時密封性能指數β

4.2 密封圈唇厚度e對密封圈密封性能的影響

當Y形密封圈摩擦系數為0.2，唇高度差s為1mm摩擦系數f=0.2時，唇厚度分別取e=2mm，e=2.5mm和e=3mm，其最大接觸壓力隨油壓變化情況為圖9所示。

圖9 不同厚度時最大壓力變化曲線

最大接觸壓力隨油壓變大而變大，近似呈線性關系，當唇厚度變大時，密封圈最大接觸壓力略有上升，但其變化并不明顯，在e=1.5mm時，模型不收斂。在該條件下對密封圈最大Von Mises應力進行分析，得到應力隨油壓變化的圖，如圖10所示。

圖10 不同厚度時最大Von Mises應力變化曲線

綜合可以看出隨著唇厚度e的增加，Y形密封圈最大Von Mises應力在變大，密封圈容易出現松弛，使得密封圈壽命變短。

4.3 不同的摩擦系數對密封圈性能的影響

當Y型密封圈唇高度差s為1mm，唇厚度e為2mm時，摩擦系數f取值分別為0.1、0.15、0.2，對其最大Von Mises應力進行分析，研究兩者之間的變化關系，變化曲線如圖11所示。

圖11 不同摩擦系數時最大Von Mises應力變化曲線

由圖11可以看出，當壓力P比較小時，不同摩擦系數對其最大Von Mises應力的影響并不大，但隨著壓力P變大摩擦系數對最大Von Mises應力的影響變大，且摩擦系數f越小，最大Von Mises應力越小。

5 結論

1)當Y形密封圈的唇高度差有所增加時，密封圈的最大接觸壓力會有所上升，當s大于1.25mm時開始呈現下降趨勢。

2)隨著其s的值變小，Y型密封圈在接觸壓力有所上升的同時有效密封區域會隨之減小，該現象在油壓較大時更為突出，為此，密封圈s的取值在1～1.25mm時較為合適。

3)密封圈唇厚度過大時會導致密封圈唇谷處應力變大，降低密封圈的使用壽命。

4)若伺服缸的摩擦系數f變大，會導致最大Von Mises應力相應變大，即會使密封圈容易損壞，使密封圈的使用壽命變短。