基于正交試驗的純水液壓缸鼓形密封結構改進*

周新建 邵宏斌

(西安科技大學機械工程學院 陜西西安 710054)

液壓系統的密封對于系統的正常運行起著至關重要的作用，液壓油和乳化液介質的泄漏不但會降低系統的可靠性和工作效率，更會對環境產生嚴重的污染，造成巨大的損失[1]。而純水介質液壓技術的應用，在清潔、環保、可再生等方面有著乳化液和液壓油介質所不具備的優勢[2-3]。但純水自身的一些物理化學特性與液壓油和乳化液有著很大的差距，必須考慮介質對液壓系統的影響。如在相同溫度下，純水的運動黏度為液壓油的 1/30，因而在同等間隙下，純水的泄漏量為液壓油的 30 倍[4-5]。因此，對于純水液壓缸的密封必須考慮純水介質的潤滑性和易泄漏等問題，通過采用合理的密封結構來提升密封性能[6-7]。

鼓形密封圈是活塞密封中常用的密封圈，具有抗擠出能力高、活塞導向好、耐高溫和耐磨損等優點。目前對于鼓形密封圈的研究主要集中在密封圈的應力分析和密封機制上。比如，張命林[8]對比分析了鼓形密封圈、活塞組合密封圈和 Y+O形密封圈的密封性能；李海寧等[9]、吳玉鳳[10]分析了摩擦因數對鼓形密封圈密封性能的影響；石永紅[11]對鼓形密封圈的泄漏原因以及排除方法進行了分析。但是在密封圈結構和溝槽結構參數對密封性能的影響以及密封結構的優化改進等方面，卻少有人研究，特別是在純水介質更容易泄漏的情況下，開展相關研究具有重要意義。

本文作者在經驗設計的基礎上，使用Ansys Workbench 有限元軟件[12-13]，通過正交仿真試驗的方式分析溝槽結構和密封圈結構參數對鼓形密封結構密封性能的影響，并以密封可靠性為優化目標對鼓形密封結構進行了優化，以期對純水介質液壓系統密封結構的設計和優化提供參考。

1 鼓形密封計算模型

1.1 幾何模型

以ZY10000-20-40DB型掩護式液壓支架立柱的活塞密封為研究對象，其主要由擋圈、密封圈、活塞、缸筒等幾部分組成，二維軸對稱幾何模型如圖1所示。鼓形密封圈的高度為13.8 mm，長度為30 mm，邊長b為11.5 mm，密封圈內凹圓弧半徑r3和外凸圓弧半徑r4分別為7和2 mm，密封溝槽底倒角r和溝槽口倒角r1為0.4 mm，溝槽內倒角r2為0.5 mm，高壓腔介質壓力p1為39.8 MPa，低壓腔介質壓力p2為31.5 MPa。

圖1 鼓形密封幾何模型Fig.1 Geometric model of drum seal

1.2 材料參數

純水介質與液壓油和乳化液介質相比，有著較強的腐蝕性和較差的潤滑性。為了防止密封圈拉絲和水解，鼓形密封圈采用聚氨酯材料，其力學性能表現為復雜的材料非線性和幾何非線性[14]。為了較好地模擬其性能，在有限元分析中，聚氨酯選擇不可壓縮的9參數Mooney-Rivlin模型。結合相關文獻[15]，聚氨酯材料和鼓形密封圈中的織物橡膠材料的參數如表1所示。此外，擋圈材料采用聚甲醛材料，密度ρ=1 420 kg/m3，彈性模量E=2 600 MPa,泊松比ν=0.385。活塞和缸筒材料為結構鋼，有限元分析時作剛體處理。

表1 聚氨酯和織物橡膠材料參數 單位：MPaTable 1 Parameters of polyurethane and fabric and rubber materials Unit:MPa

2 仿真結果及分析

2.1 仿真方案設計

在仿真分析中，von Mises應力是一種等效應力， 可以用來評價密封圈的破損失效和疲勞失效；而接觸應力的大小決定著密封性能的優劣，接觸應力大于工作介質壓力則可以保證密封的效果。文中通過改變溝槽結構和密封圈結構參數，分析6種結構參數對von Mises應力和接觸應力變化的影響。正交仿真試驗采用6因素5水平，具體如表2所示，所有參數的取值范圍均參考相關規范及標準。

表2 因素及水平Table 2 Simulation factors and levels

為了更精確地反映溝槽結構和密封圈結構參數變化對von Mises應力以及接觸應力的影響，并減少其他因素對結構變化影響的誤差，有限元仿真采用正交仿真試驗的方式[16]，壓縮量w恒取為0.5 mm，高壓腔和低壓腔介質壓力恒取為39.8和31.5 MPa。表3給出了正交仿真試驗方案及結果。

表3 正交仿真試驗方案及結果Table 3 Orthogonal test schemes and results

按圖1中坐標方向進行加載，整個加載過程分為3個載荷步： 第一載荷步為給缸體一個沿Y軸負方向的初始位移， 以此來模擬密封圈的過盈裝配；第二載荷步為給密封圈施加工作介質壓力；第三載荷步為下部的活塞沿X軸往復運動，模擬活塞的內外行程。

2.2 鼓形密封應力分布

當活塞移動速度為0.15 m/s時，仿真分析得到鼓形密封圈的內行程和外行程von Mises應力分布， 并使用Path路徑的方式獲得相應的接觸應力曲線，如圖2所示。可見，內行程時最大von Mises 應力為60.641 MPa，最大接觸應力為55.287 MPa;外行程時最大von Mises應力為53.571 MPa，最大接觸應力為47.468 MPa。

圖2 活塞移動速度0.15 m/s下內外行程vonMises應力云圖和最大接觸應力曲線Fig.2 Von Mises stress nephogram and maximum contact stresscurves of internal and external stroke at piston moving speedof 0.15 m/s:(a)internal stroke;(b)external stroke

2.3 溝槽結構參數對最大von Mises應力和最大接觸應力的影響

圖3—5所示為溝槽結構參數對鼓形密封圈最大von Mises應力和最大接觸應力的影響。由圖3和圖 4 可以看出，溝槽底倒角半徑r以及溝槽口倒角半徑r1的變化對密封結構密封性能的影響較小，選擇合適的溝槽底倒角半徑和溝槽口倒角半徑可一定程度地提高密封性能并減少破損失效。因von Mises應力越大密封圈越容易破損，而接觸應力越大密封圈密封性能越好，所以溝槽底倒角半徑的最優范圍為 0.3～0.4 mm，溝槽口倒角半徑的最優范圍為 0.2～0.3 mm。而由圖5可以看出，溝槽內倒角半徑r2的變化并不會引起密封性能的變化，因此結構優化設計時可不考慮溝槽內倒角半徑的影響。

圖3 槽底尺寸對內外行程von Mises應力和最大接觸應力的影響Fig.3 Influence of groove bottom dimension on von Mises stressand maximum contact stress of internal and external stroke

圖4 槽口尺寸對內外行程von Mises應力和最大接觸應力的影響Fig.4 Influence of slot sizeon von Mises stress and maximumcontact stress of internal and external stroke

圖5 槽內尺寸對內外行程von Mises應力和最大接觸應力的影響Fig.5 Influence of groove dimension on von Mises stress andmaximum contact stress of internal and external stroke

2.4 密封圈結構參數對最大von Mises應力和最大接觸應力的影響

圖6—8所示為鼓形密封圈結構參數對最大von Mises應力和最大接觸應力的影響。由圖6可以看出，密封圈邊長b過大或者過小時密封圈產生的von Mises應力和接觸應力更大。這是由于當邊長過小時，鼓形密封圈與擋圈發生擠壓，密封圈受力面積較小，受到的反作用力更為集中；相應地，當邊長過大時，密封圈受力面積較大，致使擠壓變形后受力不均勻，也容易產生應力集中。

由圖7可知，隨密封圈外凸圓弧半徑r4增大，密封圈密封應力整體呈上升趨勢，但是在外凸圓弧半徑為2.2～2.4 mm時，密封圈的內行程von Mises應力出現了較快的下降趨勢，而接觸應力卻相對變化平緩。這是因為，由圖 1 可知，密封圈外凸圓弧半徑r4增大時，鼓形密封圈內織物橡膠部分的面積增大，而聚氨酯部分的面積相應減小，因而導致密封圈密封應力的上述變化趨勢。

由圖8可知，隨密封圈內凹圓弧半徑r3的增大，密封圈密封應力整體呈下降趨勢，尤其在6.8～7 mm 之間，von Mises應力下降趨勢更為迅速。這是因為，由圖1可知，密封圈內凹圓弧半徑r3增大時，鼓形密封圈內織物橡膠部分的面積減小， 而聚氨酯部分的面積相應增大。

綜合考慮密封圈的von Mises應力和接觸應力分布，鼓形密封圈邊長b的最優取值范圍為11.1～11.3 mm之間，密封圈外凸圓弧半徑r4的最優范圍為2.2～2.4 mm之間，內凹圓弧半徑r3的最優范圍為6.8～7 mm之間。

圖6 密封圈邊長對內外行程von Mises應力和最大接觸應力的影響Fig.6 Influence of side length on von Mises stress and maximumcontact stress of internal and external stroke

圖7 外凸圓弧半徑對內外行程von Mises應力和最大接觸應力的影響Fig.7 Influence of outer convex arc radius on von Mises stress andmaximum contact stress of internal and external stroke

圖8 內凹圓弧半徑對內外行程von Mises應力和最大接觸應力的影響Fig.8 Influence of internal concave arc radius on von Mises stressand maximum contact stress of internal and external stroke

2.5 鼓形密封結構優化分析

從表3可知，各組正交仿真試驗得到的內外行程的接觸應力均大于工作介質壓力，說明鼓形密封結構可滿足密封性能的要求。其中，9號、12號、20號試驗得到的接觸應力更大，其密封性能更好；但是9號、20號試驗的von Mises應力過大，更容易導致密封圈疲勞破損失效。綜合考慮von Mises應力和接觸應力，接觸應力與 von Mises 應力差距更小的12號試驗更符合優化目標的要求。

優化后的鼓形密封結構采用12號試驗的相關參數，即密封溝槽槽底、槽口以及槽內半徑分別為0.4、0.3和0.6 mm；密封圈結構參數分別為邊長11.1 mm，密封圈外凸圓弧半徑2.4 mm，密封圈內凹圓弧半徑7 mm。

圖9所示為活塞移動速度為0.15 m/s 時優化后鼓形密封的內行程以及外行程von Mises應力云圖和接觸應力曲線。可以看出鼓形密封優化后，其內行程最大von Mises應力為70.92 MPa，最大接觸應力為65.611 MPa，相比優化前分別提高了16.9%和18.7%；外行程時最大von Mises應力為64.799 MPa，最大接觸應力為56.486 MPa，相比優化前von Mises增大20.9%，最大接觸應力增大19.0%。

圖9 優化后鼓形密封內外行程von Mises應力云圖和最大接觸應力曲線Fig.9 Von Mises stress nephogram and maximum contact stresscurves of internal and external stroke of drum seal afteroptimization:(a)internal stroke;(b)external stroke

查閱文獻可知，聚氨酯鼓形密封圈在給定的正常工作情況下，密封面上的von Mises應力隨著接觸應力的增大而增大，且恒大于相應接觸應力。而密封面上的接觸應力范圍在43～243 MPa之間[8,15]。因此文中針對ZY10000-20-40DB型掩護式液壓支架所優化的活塞用鼓形密封結構的von Mises應力和接觸應力在正常范圍之內，可以實現良好的密封效果。

3 結論

(1)在純水液壓缸的密封結構中，相比密封溝槽結構參數，密封圈結構參數對密封性能影響更大，最大von Mises應力和最大接觸應力都隨著密封圈外凸圓弧半徑的增大而增大，隨著密封圈內凹圓弧半徑的增大而減小，而密封圈邊長尺寸過大或過小都會引起應力的集中。密封圈的邊長長度對密封性能影響更大，因此后續應進一步研究。

(2)通過正交仿真試驗得到的鼓形密封優化結構參數最優取值范圍：溝槽底倒角半徑為0.3～0.4 mm，溝槽口倒角半徑為0.2～0.3 mm，密封圈邊長為11.1～11.3 mm，密封圈外凸圓弧半徑為2.2～2.4 mm，內凹圓弧半徑為6.8～7 mm。

(3)對鼓形密封結構進行優化，得到的密封結構參數為：溝槽底倒角半徑0.4 mm，溝槽口半徑0.3 mm，溝槽內倒角半徑0.6 mm， 密封圈邊長11.1 mm， 密封圈外凸圓弧半徑2.4 mm，密封圈內凹圓弧半徑7 mm。優化后，內外行程的von Mises應力雖有所增大，但仍在合理的范圍內，而最大接觸應力增大18%～20%，大大提升了密封性能。