硬度對(duì)液壓馬達(dá)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(shù)研究所,上海 201108; 2. 上海新躍聯(lián)匯電子科技有限公司,上海 200233)

0 引言

液壓馬達(dá)作為仿真轉(zhuǎn)臺(tái)的直接驅(qū)動(dòng)元件之一,為實(shí)現(xiàn)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)超低速、高頻響、寬調(diào)速、高精度性能,液壓馬達(dá)O形密封圈應(yīng)具有良好的密封性能[1-2]。如果密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,就會(huì)導(dǎo)致馬達(dá)泄漏,降低系統(tǒng)低速運(yùn)行時(shí)的抗干擾能力,增強(qiáng)摩擦力矩對(duì)液壓馬達(dá)低速性能的影響,容易導(dǎo)致液壓馬達(dá)低速運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)O形密封圈進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和有限元分析[3-7],但關(guān)于密封圈材料硬度對(duì)其性能影響的研究卻極少。本文以半實(shí)物試驗(yàn)用仿真轉(zhuǎn)臺(tái)液壓馬達(dá)O形密封圈為對(duì)象,利用ABAQUS軟件建立液壓馬達(dá)密封結(jié)構(gòu)有限元模型,進(jìn)行O形密封圈摩擦接觸有限元分析,研究橡膠材料硬度對(duì)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(yīng)力、O形密封圈與密封副間接觸面積以及與馬達(dá)軸間靜摩擦力的分布規(guī)律,為液壓馬達(dá)密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供技術(shù)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(hào)仿真轉(zhuǎn)臺(tái)液壓馬達(dá)選用多種O形密封圈,但鑒于其密封機(jī)理相同,故本文以7mm截面直徑O形圈為研究對(duì)象。O形圈與液壓馬達(dá)軸和端蓋密封溝槽組成軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),在預(yù)壓縮量的作用下O形圈產(chǎn)生一定的壓緊力。O形密封圈密封幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1—O形密封圈;2—馬達(dá)端蓋密封溝槽;3—馬達(dá)軸。

1.2 O形密封圈材料模型

ABAQUS超彈性本構(gòu)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(yīng)變的橡膠材料力學(xué)行為,其應(yīng)變能函數(shù)為[8-9]

(1)

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

本文采用工程中常用的兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型[10]進(jìn)行密封圈摩擦接觸的有限元分析,其應(yīng)變能函數(shù)為

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

(2)

式中C10和C01為Rivlin系數(shù),與材料的應(yīng)變能偏量部分有關(guān)。

LEE、CHARLTON等[6-7]通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)Mooney-Revlin模型的Rivlin系數(shù)與橡膠硬度HA(IRHD國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)橡膠硬度)存在以下函數(shù)關(guān)系:

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

(3)

C01=0.25C10

(4)

有限元分析時(shí)由式(3)—式(4)計(jì)算出不同材料硬度下的與應(yīng)變能偏量部分有關(guān)的2個(gè)材料常數(shù)C10和C01。

1.3 O形密封圈材料有限元模型

建模時(shí)O形圈材料模型采用近似不可壓縮彈性材料的兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型函數(shù),采用4節(jié)點(diǎn)軸對(duì)稱雜交單元CAX4H劃分網(wǎng)格;馬達(dá)軸和端蓋溝槽有限元模型采用軸對(duì)稱解析剛體,創(chuàng)建參考點(diǎn)1和參考點(diǎn)2分別約束馬達(dá)軸和端蓋。在O形圈與馬達(dá)密封副之間定義接觸對(duì),其中馬達(dá)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(shù)法求解馬達(dá)密封副與O形密封圈之間的接觸問(wèn)題,摩擦模型選用庫(kù)侖摩擦模型。O形密封圈、馬達(dá)密封副有限元模型如圖2所示。

1—參考點(diǎn)2;2—馬達(dá)軸;3—馬達(dá)端蓋密封溝槽;4—O形密封圈;5—參考點(diǎn)1。

2 材料硬度對(duì)O形密封圈與馬達(dá)密封副間接觸壓力的影響

采用二維軸對(duì)稱模型分析O形密封圈材料硬度對(duì)O形密封圈與馬達(dá)密封副間接觸壓力的影響。初始狀態(tài)下O形密封圈與端蓋密封溝槽相配合,但與馬達(dá)軸相分離。先施加較小的液壓力,通過(guò)參考點(diǎn)2控制密封圈的壓縮量,待馬達(dá)密封副與O形密封圈充分接觸后對(duì)O形密封圈右側(cè)施加10MPa的實(shí)際液壓力,模擬O形密封圈對(duì)馬達(dá)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(shí)O形密封圈與馬達(dá)密封副之間的接觸壓力曲線。

圖3 O形密封圈與馬達(dá)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(dá)密封副間的接觸壓力隨橡膠材料硬度的變化出現(xiàn)“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(shí)可以發(fā)現(xiàn)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(dá)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(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。此外,由密封結(jié)構(gòu)有限元模型發(fā)現(xiàn),“駝峰”位置即為O形密封圈與馬達(dá)密封副間的有效密封位置,即表明該規(guī)格O形密封圈可以滿足仿真轉(zhuǎn)臺(tái)液壓馬達(dá)技術(shù)要求。

3 材料硬度對(duì)O形密封圈Mises應(yīng)力的影響

O形密封圈的Mises應(yīng)力反映了馬達(dá)軸、馬達(dá)端蓋密封溝槽及馬達(dá)內(nèi)液壓力對(duì)O形密封圈受力的影響。一般來(lái)講,應(yīng)力值越大的區(qū)域,材料越容易出現(xiàn)裂紋并隨之發(fā)生撕裂破壞,最終導(dǎo)致O形密封圈密封失效。圖4—圖9為10MPa馬達(dá)液壓力作用下,材料硬度分別為65、70、75、80、85、90時(shí)的O形密封圈Mises應(yīng)力分布云圖。

圖4 硬度為65 HA時(shí)O形圈Mises應(yīng)力云圖

圖5 硬度為70 HA時(shí)O形圈Mises應(yīng)力云圖

圖6 硬度為75 HA時(shí)O形圈Mises應(yīng)力云圖

圖7 硬度為80 HA時(shí)O形圈Mises應(yīng)力云圖

圖8 硬度為85 HA時(shí)O形圈Mises應(yīng)力云圖

圖9 硬度為90 HA時(shí)O形圈Mises應(yīng)力云圖

由圖4—圖9發(fā)現(xiàn)隨著橡膠材料硬度的增加O形圈尖角逐漸減小,即馬達(dá)正常工作時(shí)被擠入馬達(dá)軸與端蓋間密封間隙的O形密封圈體積減少。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)O形密封圈Mises應(yīng)力基本隨材料硬度的增加而增大,而當(dāng)硬度大于85時(shí)增幅較大,且最大Mises應(yīng)力均出現(xiàn)在O形密封圈尖角處。因此在液壓馬達(dá)軸密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合適硬度的O形密封圈,同時(shí)還應(yīng)嚴(yán)格控制馬達(dá)端蓋密封溝槽棱角,防止棱角對(duì)O形密封圈的劃傷,延長(zhǎng)O形密封圈壽命。

4 材料硬度對(duì)O形密封圈與馬達(dá)密封副間接觸面積的影響

O形密封圈與液壓馬達(dá)密封副之間的接觸面積在一定程度上決定了密封結(jié)構(gòu)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(dá)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(dá)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(dāng)硬度大于85時(shí)減小幅度增大。因此在馬達(dá)軸密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)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(jié)語(yǔ)

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(yīng)力、接觸面積以及與馬達(dá)軸間接觸面積的綜合因素,因此在液壓馬達(dá)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮優(yōu)化設(shè)計(jì),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(jié)構(gòu)的可靠性。

2)O形密封圈與馬達(dá)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(dá)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)O形密封圈材料硬度不能過(guò)低,以保證O形密封圈與馬達(dá)密封副間的有效接觸壓力。

3)O形密封圈與馬達(dá)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(shí),對(duì)O形密封圈Mises應(yīng)力的影響并不明顯;但當(dāng)材料硬度大于85 HA時(shí), Mises應(yīng)力增大幅度變大,容易導(dǎo)致密封圈損壞。

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