硬度對液壓馬達O形密封圈性能影響的分析

徐群,黃唯君,王龍,于啟洋

(1. 上海航天控制技術研究所,上海 201108; 2. 上海新躍聯匯電子科技有限公司,上海 200233)

0 引言

液壓馬達作為仿真轉臺的直接驅動元件之一,為實現仿真轉臺超低速、高頻響、寬調速、高精度性能,液壓馬達O形密封圈應具有良好的密封性能[1-2]。如果密封結構設計不合理,就會導致馬達泄漏,降低系統低速運行時的抗干擾能力,增強摩擦力矩對液壓馬達低速性能的影響,容易導致液壓馬達低速運行時出現爬行現象。

國內外學者針對O形密封圈進行了大量的實驗研究和有限元分析[3-7],但關于密封圈材料硬度對其性能影響的研究卻極少。本文以半實物試驗用仿真轉臺液壓馬達O形密封圈為對象,利用ABAQUS軟件建立液壓馬達密封結構有限元模型,進行O形密封圈摩擦接觸有限元分析,研究橡膠材料硬度對O形密封圈接觸壓力的影響,分析不同材料硬度下O形密封圈Mises應力、O形密封圈與密封副間接觸面積以及與馬達軸間靜摩擦力的分布規律,為液壓馬達密封結構的優化設計提供技術參考。

1 O形密封圈有限元分析模型

1.1 O形密封圈幾何模型

某型號仿真轉臺液壓馬達選用多種O形密封圈,但鑒于其密封機理相同,故本文以7mm截面直徑O形圈為研究對象。O形圈與液壓馬達軸和端蓋密封溝槽組成軸對稱結構,在預壓縮量的作用下O形圈產生一定的壓緊力。O形密封圈密封幾何結構如圖1所示。

1—O形密封圈;2—馬達端蓋密封溝槽;3—馬達軸。

1.2 O形密封圈材料模型

ABAQUS超彈性本構模型[7]主要包括Mooney-Rivlin模型、Arruda-Boyce模型、Marlow模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型、Ogden模型、Polynomial模型、Reduced polynomial模型以及Vander Waals模型等。其中,Mooney-Rivlin模型適合于模擬中小應變的橡膠材料力學行為,其應變能函數為[8-9]

(1)

式中:N、Cij和dk均為材料常數;I1、I2、I3為變形張量的第一、第二和第三不變量,當材料為不可壓縮材料時,I3= 0。

本文采用工程中常用的兩參數Mooney-Rivlin模型[10]進行密封圈摩擦接觸的有限元分析,其應變能函數為

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

(2)

式中C10和C01為Rivlin系數,與材料的應變能偏量部分有關。

LEE、CHARLTON等[6-7]通過大量的實驗研究發現Mooney-Revlin模型的Rivlin系數與橡膠硬度HA(IRHD國際標準橡膠硬度)存在以下函數關系:

C10= (31.5+4.3HA)/[15(100-HA)]

(3)

C01=0.25C10

(4)

有限元分析時由式(3)—式(4)計算出不同材料硬度下的與應變能偏量部分有關的2個材料常數C10和C01。

1.3 O形密封圈材料有限元模型

建模時O形圈材料模型采用近似不可壓縮彈性材料的兩參數Mooney-Rivlin模型函數,采用4節點軸對稱雜交單元CAX4H劃分網格;馬達軸和端蓋溝槽有限元模型采用軸對稱解析剛體,創建參考點1和參考點2分別約束馬達軸和端蓋。在O形圈與馬達密封副之間定義接觸對,其中馬達軸和密封溝槽外表面為主面,O形密封圈外表面為從面。采用罰函數法求解馬達密封副與O形密封圈之間的接觸問題,摩擦模型選用庫侖摩擦模型。O形密封圈、馬達密封副有限元模型如圖2所示。

1—參考點2;2—馬達軸;3—馬達端蓋密封溝槽;4—O形密封圈;5—參考點1。

2 材料硬度對O形密封圈與馬達密封副間接觸壓力的影響

采用二維軸對稱模型分析O形密封圈材料硬度對O形密封圈與馬達密封副間接觸壓力的影響。初始狀態下O形密封圈與端蓋密封溝槽相配合,但與馬達軸相分離。先施加較小的液壓力,通過參考點2控制密封圈的壓縮量,待馬達密封副與O形密封圈充分接觸后對O形密封圈右側施加10MPa的實際液壓力,模擬O形密封圈對馬達密封副的密封性能。圖3為不同材料硬度(65 HA,70 HA,75 HA,80 HA,85 HA,90 HA)時O形密封圈與馬達密封副之間的接觸壓力曲線。

圖3 O形密封圈與馬達密封副間接觸壓力變化曲線

由圖3可知,O形密封圈與馬達密封副間的接觸壓力隨橡膠材料硬度的變化出現“駝峰”式變化,而且接觸壓力在“駝峰”位置隨材料硬度的增加而增加,最大值分別為16.8MPa和17.2MPa,同時可以發現隨著材料硬度的增加,“駝峰”處接觸壓力的增大幅度逐漸變大。但在其他位置(除接觸壓力末端),O形密封圈與馬達密封副間的接觸壓力則隨材料硬度的增加而減小,即與“駝峰”處壓力曲線存在一個轉折點。此外,由密封結構有限元模型發現,“駝峰”位置即為O形密封圈與馬達密封副間的有效密封位置,即表明該規格O形密封圈可以滿足仿真轉臺液壓馬達技術要求。

3 材料硬度對O形密封圈Mises應力的影響

O形密封圈的Mises應力反映了馬達軸、馬達端蓋密封溝槽及馬達內液壓力對O形密封圈受力的影響。一般來講,應力值越大的區域,材料越容易出現裂紋并隨之發生撕裂破壞,最終導致O形密封圈密封失效。圖4—圖9為10MPa馬達液壓力作用下,材料硬度分別為65、70、75、80、85、90時的O形密封圈Mises應力分布云圖。

圖4 硬度為65 HA時O形圈Mises應力云圖

圖5 硬度為70 HA時O形圈Mises應力云圖

圖6 硬度為75 HA時O形圈Mises應力云圖

圖7 硬度為80 HA時O形圈Mises應力云圖

圖8 硬度為85 HA時O形圈Mises應力云圖

圖9 硬度為90 HA時O形圈Mises應力云圖

由圖4—圖9發現隨著橡膠材料硬度的增加O形圈尖角逐漸減小,即馬達正常工作時被擠入馬達軸與端蓋間密封間隙的O形密封圈體積減少。同時還可以發現O形密封圈Mises應力基本隨材料硬度的增加而增大,而當硬度大于85時增幅較大,且最大Mises應力均出現在O形密封圈尖角處。因此在液壓馬達軸密封結構設計時應選擇合適硬度的O形密封圈,同時還應嚴格控制馬達端蓋密封溝槽棱角,防止棱角對O形密封圈的劃傷,延長O形密封圈壽命。

4 材料硬度對O形密封圈與馬達密封副間接觸面積的影響

O形密封圈與液壓馬達密封副之間的接觸面積在一定程度上決定了密封結構的可靠性。圖10為不同硬度下(65,70,75,80,85,90)O形密封圈與馬達密封副間接觸面積的變化曲線,由圖10可知O形密封圈與馬達密封副間的接觸面積基本隨O形圈材料硬度的增加而減小,而且當硬度大于85時減小幅度增大。因此在馬達軸密封結構設計時應嚴格控制O形密封圈硬度,保證O形密封圈與密封副之間具有足夠的有效接觸面積。

圖10 O形密封圈與密封副間接觸面積變化曲線

5 結語

1)O形密封圈摩擦接觸有限元分析表明,O形密封圈材料硬度是影響O形密封圈接觸壓力、Mises應力、接觸面積以及與馬達軸間接觸面積的綜合因素,因此在液壓馬達密封結構設計時應綜合考慮優化設計,在保證接觸壓力的前提下合理降低O形密封圈材料硬度以保證密封結構的可靠性。

2)O形密封圈與馬達密封副間的接觸壓力分析表明,接觸壓力隨O形密封圈材料硬度的變化呈“駝峰”式變化,而且在“駝峰”位置隨材料硬度的增加而增大。故在馬達密封結構設計時O形密封圈材料硬度不能過低,以保證O形密封圈與馬達密封副間的有效接觸壓力。

3)O形密封圈與馬達密封副間的摩擦接觸分析表明,O形密封圈材料硬度小于85 HA時,對O形密封圈Mises應力的影響并不明顯;但當材料硬度大于85 HA時, Mises應力增大幅度變大,容易導致密封圈損壞。

4)密封圈與馬達軸間接觸面積整體趨勢上隨密封圈材料硬度的增大而減小,故應在保證密封圈與密封副間接觸壓力的基礎上盡量減小密封圈硬度,保證密封圈與馬達軸接觸面間足夠的接觸面積。