氣動平衡器O形密封圈密封性能分析與試驗

邵瑞影 王洪軍 宋 娟 葛偉偉

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

隨著社會科技的進步，氣動裝置發(fā)展迅速，逐漸占據(jù)了吊裝領域[1]。氣動平衡器的工作原理是通過改變缸體內(nèi)氣體的壓力，促使活塞往復直線運動，活塞的直線運動可通過絲杠轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，卷筒纏繞鋼絲繩完成升降重物的工作[2]。在氣動平衡器中，密封性能決定著設備的工作效果[3]。密封效果達不到要求，會影響項目的正常進行，增加成本支出，甚至會引發(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)氣動平衡器密封要求及各密封形式的適用場合，氣動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、價格低廉、適用性強等優(yōu)點[6]。現(xiàn)階段已有眾多學者對O形密封圈的靜力學、動力學和摩擦學展開深入研究[7]。

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

1 模型建立

1.1 物理模型

氣動平衡器是一種氣動吊裝設備，常應用于機械加工、裝配車間，能夠?qū)崿F(xiàn)工件快速搬運，提高裝配精度和工作效率，降低工人的勞動強度[8]。如圖1所示，氣動平衡器主要由端蓋、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

(1)氣缸的彈性模量遠大于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)在氣缸施加一個由上到下位移載荷，作用在O形密封圈上，模擬預壓縮力變形。

(2)在密封圈右側(cè)施加均布壓力載荷，模擬工作狀態(tài)下密封圈的應力應變。

2 結(jié)果與分析

在工程應用中，通常用接觸應力和von Mises應力來衡量裝置的密封性能[14]。氣動平衡器工作時，懸掛物體的重量決定著缸體內(nèi)氣體的壓力，不同重量對應的壓力不同。在模擬計算時，選取工作壓力分別為0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa、0.7 MPa，在預壓縮率為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，預壓縮率不變，工作壓力增加時，最大接觸應力和von Mises應力都增大，密封圈中間位置受力較大，容易發(fā)生變形。預壓縮率越大，氣動平衡器的密封性越好，但是預壓縮率過大會造成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壓縮率。

不同預壓縮率下，最大接觸應力和von Mises應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，預壓縮力增大，O形密封圈的最大接觸應力和von Mises應力也變大，但是預壓縮率越大，應力受到壓力的影響程度越小。對于氣動平衡器而言，預壓縮率決定著密封效果，在設置預壓縮率時，要適當增大預壓縮率，同時還要保證密封圈受力壓縮時不產(chǎn)生永久性變形。所以，取預壓縮率為20 %時，應力受到工作壓力的影響較小，產(chǎn)生的變形也可恢復，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 密封試驗測試

圖11為氣動平衡器密封性能的測試試驗裝置。

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

為更好地檢驗氣動平衡器的密封效果，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)不同時間氣缸內(nèi)氣壓的變化；

(2)不同時間內(nèi)物體相對于初始位置下降的距離。

經(jīng)試驗測得的數(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，則計算泄漏量為2.59 mL/min<(3+0.15D)=32.85 mL/min，表明氣動平衡器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，得出不同預壓縮率和工作壓力下應力的變化規(guī)律。

(2)當預壓縮率不變時，工作壓力增加，O形密封圈所受到的最大接觸應力和von Mises應力增大；當工作壓力不變時，預壓縮率增大，密封圈的最大接觸應力和von Mises應力同樣增大，且預壓縮率越大，最大接觸應力和von Mises應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，預壓縮率取20%時，其密封效果最好，使用壽命較長。

(4)搭建測試氣動平衡器密封性能的試驗平臺，將重物提升一定高度后，每間隔半小時對重物距離地面的高度進行測量，最后通過重物下降的距離來計算泄露量，根據(jù)試驗測試結(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。