無泄漏柱塞缸密封件層疊結構輕載大行程下變形規律*

張海濤 石 洋 張洪信 張鵬飛 程聯軍

(青島大學機電工程學院 山東青島 266071)

泄漏是液壓缸的一種典型故障，不僅會造成油液外溢而污染設備環境，而且會造成系統壓力不穩定而損壞設備。因此，通過設計減少液壓缸泄漏具有重要的工程價值[1]。針對液壓缸泄漏問題，本文作者所在團隊提出了一種新型無泄漏柱塞缸[2]，基本結構簡化如圖1所示。其密封件擺脫傳統密封形式，采用套筒型密封件，將密封件套在柱塞一端，然后裝入缸內，通過法蘭連接壓板和缸體進行固定，柱塞在運動過程中不存在液壓油泄漏問題。

圖1 無泄漏柱塞缸結構

新型缸密封方式中，橡膠密封件是最重要的結構。橡膠密封件的變形對柱塞缸應用有很大的影響，針對密封件加載過程中的變形設計了一種層疊結構[3]，為了證明該結構的合理性，需要對其進行研究分析。傳統橡膠產品設計研究都是基于經驗，設計方案的性能也只能通過昂貴的實驗評估，耗時長且花費高。隨著計算機技術的發展，有限元方法已經得到廣泛應用。

LEE等[4]提出了一種基于有限元分析和經驗模擬相結合的近似分析橡膠襯套動態特性的混合方法，所提出的混合方法可以預測橡膠襯套的動剛度，且不需要迭代試驗和較高的計算代價。馬洋洋等[5]利用有限元軟件研究了不同溫度下發動機油氣分離器密封膠條的性能。張付英等[6]利用有限元軟件分析了不同高徑比下不同材料的封隔器膠筒變形穩定性。江華生等[7]利用有限元軟件建立油封模型，研究其應力和變形，分析了不同因素對接觸特性參數的影響。除此之外，有限元方法在研究密封圈的性能等方面也有著廣泛的應用，許多學者利用有限元方法對密封圈進行了各種研究[8-11]。

在分析橡膠類產品中時，利用有限元軟件對橡膠件進行模擬分析可以縮短實驗周期，降低成本等，且結果具有可靠性。因此，本文作者采用有限結合實驗的方法，對無泄漏柱塞缸層疊型密封件進行分析，研究其在加載過程中的變形，進而驗證層疊結構的合理性。

1 有限元模擬分析

1.1 密封件結構

柱塞在運動過程中，密封件會隨著運動發生變形，行程越大，變形也越大，同時與柱塞的接觸區域也會產生摩擦力。橡膠密封件在工作工程中的變形，對柱塞缸的機械效率和密封件的壽命都存在影響。在密封件設計初期，提出了3種結構，分別為直筒型、波浪型和層疊型密封件，在對3種結構密封件進行仿真模擬后，綜合應力、摩擦力等模擬數據，選擇層疊型密封件為最佳結構。

根據柱塞行程，結合密封件層疊結構，設計了密封件樣件。密封件中層疊部分的主要目的是吸收位移行程，減少應力集中，防止密封件畸變，從而提高密封件的承受能力。

1.2 橡膠材料本構模型

密封件使用的材料是丁腈橡膠，在進行模擬分析時，要注意橡膠材料的非線性特征，即幾何非線性、材料非線性和接觸非線性[12]。

橡膠材料的非線性特點大大增加了模擬分析的困難，因此，橡膠本構模型的選取對分析結果的準確性有重要的影響。Mooney-Rivlin模型是一個比較常用的模型，幾乎可以模擬所有橡膠材料的力學行為[13]。對于不可壓縮材料，典型的二項三階Mooney-Rivlin模型展開式為

W=C1(I1-3)+C2(I2-3)

式中:W為應變能密度；I1和I2為第一、第二應變張量不變量；C1、C2為模型的材料系數，此處分別取1.87和0.47 MPa[14]。

1.3 有限元模型

在ABAQUS軟件中，為了方便計算，將三維模型簡化為二維軸對稱模型，同時將缸體和壓板部分進行簡化，如圖2所示。模型中密封件為丁腈橡膠，密度ρ=1 200 kg/m3。定義密封件之外的實體部分為鋼，泊松比為0.3，彈性模量E=210 GPa，密度ρ=7 860 kg/m3。

圖2 有限元仿真模型

定義層疊外凸部分為外層疊，內凹部分為內層疊。

1.4 邊界條件及載荷加載

將壓板和缸體定義為剛體，并限制其所有自由度。通過定義柱塞位移模擬運動過程，柱塞總行程為80 mm，速度為11.5 mm/s。設置橡膠與其他部件的摩擦因數為0.2。運動過程中設置密封件承受的加載壓力為0.6 MPa，最終保壓狀態壓力為1.2 MPa。

2 模擬結果與分析

2.1 密封件變形分析

模擬密封件在加載過程中的變形，分析層疊的變化規律。規定安裝位置為模型初始狀態，此時柱塞端部與壓板底部共線，密封件處于輕度拉伸狀態。

整個加載過程中，密封件變形如圖3所示，圖中給出了柱塞不同行程下密封件的變形過程。在工作初期，當油壓開始作用到密封件的時候，層疊在行程1發生初步變形，密封件內層疊處開始與柱塞接觸，同時外層疊發生初步壓縮，此時柱塞行程較小，約為2.5 mm；隨著工作過程進行，內層疊開始與柱塞貼緊同時外層疊的壓縮更加明顯，如圖3中行程2所示。

圖3 加載過程密封件變形過程

隨著加載過程繼續，柱塞行程變大，密封件進入中期變形狀態。在壓力和柱塞位移的作用下，層疊開始發生明顯變化，如圖3中行程3至行程8所示。行程3中柱塞位移為22.5 mm，行程8中柱塞位移為80 mm，選取此階段行程間隔為11.5 mm分析密封件變形。

在整個中期變形過程中，內層疊在壓力作用下，隨著柱塞運動發生壓縮變形，外層疊在壓力作用下，隨著柱塞的運動和內層疊壓縮發生伸長變形，外層疊接觸面積增大，高度下降。當最下端的層疊在當前壓力下變形到極限后，下一個層疊開始發生變形，變形過程與下端層疊一樣，在變形過程中，2個層疊逐漸開始接觸。在整個變形期間，層疊變形順序為由下至上，且變形過程相似，都是內層疊壓縮變形，外層疊伸出變形，且相互靠攏。

密封件最終變形如圖3中行程8所示，可以看出，外層疊的伸出長度相近，且最終緊貼在一起。在整個變形過程中，由于內外層疊的壓縮，密封件起到了吸收行程的作用，同時因為密封件設計了層疊部分，其壓縮變形也有了規律，達到了最初設計的目的。

2.2 密封件應力分析

von Mises應力反映了密封件截面上主應力差值的大小，一般來說，應力值越大的區域，材料越容易出現裂紋[15]，密封件變形后的應力分布對預測其失效破壞區域具有重要意義。

密封件的上半部分的Mises應力值相較于密封件整體較小，因此在研究時忽略此部分。密封件變形最終Mises應力云圖如圖4所示。在分析時，為了更直觀地展現易破壞區域，將云圖應力大于1 MPa部分突出表示。

圖4 密封件變形后的von Mises應力分布云圖

根據云圖結果，密封件變形后，較大的Mises應力值主要分布在層疊轉角處及密封件底部轉角處，這些部分在變形過程中發生大變形，容易造成密封件破壞，在應用過程中需要注意。

密封件在剪切作用下也會發生失效破壞，密封件變形最終的剪切應力云圖如圖5所示。將云圖應力大于1 MPa或小于-1 MPa的部分突出表示，可以看出，剪切應力的分布與Mises應力的分布類似，較大值都是在轉角處，結合2種應力分布可以更加明確密封件變形后易破壞區域。

圖5 密封件變形后的剪切應力分布云圖

若采用普通的直筒型結構，密封件在變形的過程中，密封件底部轉角處將會產生較大的應力集中，如圖6所示。可以看出，此時應力集中處的應力值遠遠大于層疊密封件的最大應力值，因此密封件設計層疊結構可以有效降低應力集中對密封件造成的破壞。

圖6 直筒型密封件變形后的應力分布云圖

3 密封件受壓變形實驗

密封件的受力變形在柱塞缸實際加載過程中比較復雜，僅通過仿真分析無法確保結果的準確性，因此設計實驗觀察密封件在實際加載過程中的變形，同時驗證模擬結果的準確性[16]。

在進行正式實驗前，為了保證實驗結果的準確，首先進行2次預實驗，目的是保持密封件良好的狀態。實驗過程中，工作壓力為 0.6 MPa，通過調整定量泵控制保壓壓力為1.2 MPa，柱塞的行程為80 mm,固定拍攝位置，觀察記錄密封件實際受壓變形的過程，如圖7所示。

從圖7(a)、(b)可以看出，在安裝位置時，密封件處于輕度拉伸狀態，隨著油壓作用，層疊開始被壓縮；隨著油壓的逐漸升高，層疊變形越來越明顯，從圖7(c)、(d)中可以看出，層疊變形發生畸變，產生垂直于層疊方向上的變形，這是由于密封件存放時間過長，且存放過程中存放不規范導致層疊產生微小變形，當密封件被拉伸時，變形被放大，在壓力作用下，最終產生畸變變形；隨著工作過程繼續，如圖7(d)—(f)所示，層疊開始慢慢靠攏，靠攏順序為由下至上，并且層疊畸變在靠攏的過程中逐漸消失，最終在壓力的作用下，層疊平整地接觸在一起。

圖7 密封件實際加載變形

密封件最終變形結果如圖8所示，可以看出，有限元模擬結果和實驗結果中，密封件的外層疊最終都是貼緊在一起的，而且近乎水平。根據實驗結果分析，密封件在工作過程中的實際變形與模擬過程的變形，都是在壓力作用下首先發生初步壓縮，隨著工作過程的繼續，層疊發生由下至上的靠攏，最終層疊靠攏在一起。因此，利用建立的仿真模型分析密封件變形是可行的，且結果準確可靠，所設計的密封件層疊結構合理，能夠達到預期的效果。

圖8 密封件最終變形

4 結論

(1)層疊結構密封件在整個變形過程中，由于內外層疊的壓縮，密封件起到了吸收行程的作用，同時因為密封件設計了層疊部分，其壓縮變形也有了規律，達到了最初設計的目的。

(2)層疊結構密封件在模擬和實驗的過程中，表現出良好的變形規律，證明所設計的層疊結構達到了最初設計的目的，即吸收大行程變形，防止密封件產生不規律變形。

(3)所建立模型在研究密封件變形時結果可靠、準確，為后續密封件深入分析、設計和優化提供了指導。