液压缸密封件的有限元分析及改进设计

液压缸密封件的有限元分析及改进设计Optimization of sealing o-ring based on finite element analysis
【摘要】介绍了液压缸的常用密封件的分类，利用有限元分析软件ANSYS对液压缸往复密封用橡胶密封圈进行建模和计算，分析密封圈最易受损和失效的关键部位，并结合液压缸活塞杆动态密封机理提出了优化设计模型。

对密封件的设计改进提供一种可行的方法。

关键词：有限元分析；优化设计；密封圈；密封机理
【Abstract】By using ANSYS engineering analysis system，the finite element analysis model for sealing 0-ring of hydrodynamic cylinder was set up to analyze the easiest parts to be damaged and the key parts to be disabled．Integrated with sealing principles for piston of hydrodynamic cylinder，an optimized model of sealing O-ring Was proposed，which pointed out an available way to optimize the design of sealing O-ring
Key words：FEM；Optimization；Sealing O-ring；Sealing principle
0引言
在液压系统中，液压缸是动力传递元件。

而液压缸中，活塞和导向套上所选用的密封圈，对液压缸在规定的条件下，规定的时间内，完成规定的功能，而使其性能保持在允许值范围内是至关重要的。

如果密封件过早地失效，动力传递的功能必将随之消失。

在现代设计中，合理选用密封件以及合理的结构设计，是保证产品性能提高产品质量的必要条件。

1 液压缸的密封性及密封装置的分类
液压缸依靠密封油液容积的变化传递动力和速度。

密封装置的优劣，将直接影响液压缸的工作性能。

密封件的不好液压缸，不仅不会污染环境、降低容积效率、增加功率损失，有时还会影响液压缸的正常动作，甚至引起安全事故。

液压缸的活塞干往复运动不可避免的要带出些油液，因此不可能做到绝对密封。

但是这种渗漏要尽量少。

根据工作原理和结构特点的不同，密封装置可作如下分类：
(1)挤压密封密封件在液压力的作用下，紧贴于相互配合件之间的间隙实现密封，如o形密封因和矩形密封图。

(2)唇边密封密封件的唇边在液压力作用下贴在互相配合的另一个零件表面上形成密封圈等。

3)压紧密封依靠外力或液力压紧密封件，使其产生过盈量贴紧于被密封表面实现密封。

(4)间隙密封通过严格控制两个相互配合零件的间隙防止漏油，实现密封。

密封装置还可按使用方法不同分为固定密封、往复运动密封和旋转运动密封；按密封件材料不同可分为橡胶、塑料、皮革和金属密封。

0形橡胶密封圈以其成本低廉、结构简单以及安装和使用方便等优点，被广泛应用子汽车、动力机械及流体液鹾机械等领域。

近年来，随着尖端科学技术的迅速发展和工业、交通运输等部门机械化、自动化水平的不断提高，对密封件的性能和质量要求也愈来愈高。

普通0型橡胶密封圈已不能满足密封发展的需求，对其进行创新设计已经势在必行。

利用大型通用有限元分析软件ANSYS对液压缸用0形橡胶密封圈进行
建模和计算，分析O 形密封圈最易受损和失效的关键部位，并结合液压活塞杆动态密封机理提出了优化设计模型。

2有限元分析模型
由于橡胶密封件的设计涉及到固体力学、摩擦学、高分子材料学、以及制造工艺等多方面的理论知识，因此要对其进行精确研究在理论上存在许多困难。

随着计算技术和计算机技术的普及和发展，有限元分析方法已逐步应用到密封件的设计当中。

就密封结构中的三重非线性和为简化计算而进行的基本假设作简要介绍。

2．1材料非线性
橡胶材料在整体应变或局部应变较大时，其剪切模量和横向拉压模量可出现较明显的材料非线性。

温热环境可使材料非线性更为显著，在材料性能与应变率相关时要考虑粘弹性，在分析材料性能与常温或高温下长期受载有关的问题时，需要考虑蠕变问题。

国内外学者已提出了基于统计热力学的Neo-Hookean 应变能函数、指数一双曲(exponen —tial —hyperbolic)法则以及基于连续体的表象学方法的
Mooney-Rivlin 、Klosenr-Segal 模型和Ogden-Tschoegl 模型。

在ANSYS 程序中，用Mooney —Rivlin 模型来描述不可压缩橡胶类材料的超弹性特性，分为2个、5个和9个材料参数的模型。

本文采用含2个材料参数的Mooney —Rivlin 模型，其应变能函数为：
()123,,W I I I =或()123,,W λλλ=
伸长率：
00
1E L L u L L λε+∆===+ 其中123,,I I I 称为Green 不变量，分别为：
2221123I λλλ=++
2222222122331I λλλλλλ=++
2223123I λλλ=
若材料不可压缩，30I =。

其多项式形式的应变能函数是()()()N 2ij 121i j=111C 331N
i j i e i i
U I I J D ==--+-∑∑，
式中 U 是应变能；1e J 是弹性体积比；若材料不可压缩，0i D =；如果项数N=0而材料又是不可压缩的则材料的应变能密度公式为
()()10101233U C I C I =-+- 这里我们取10 1.87C =，010.47C =，d=1;
2．2几何非线性
橡胶材料的本构关系一般是非线性的，只是在小应变时，可近似的看成是线性的。

在密封结构中橡胶材料在受力下的位移和变形关系已远远超出了现行理论的范畴，属于几何非线性问题。

2．3接触非线性
接触问题的复杂性在于系统接触状态的不确定性。

故接触问题被誉为工程中复杂的状态非线性问题之一。

密封圈与缸盖和活塞杆的接触是高度的非线性行为，属
于刚体和柔性体的面面接触。

在有限元分析中，将密封圈和轴套抽象为轴对称问题，密封圈作为接触体A ，轴套作为目标体B 。

接触求解的过程中，必须满足接触边界条件，即不可贯入条件、法向接触力为压力的条件和切向摩擦力条件，他们都是不等式单边约束。

不可贯入条件：()0N A B B g x x n =-⋅≥
式中：N g 为t 时刻两接触点的距离；A x 为接触体上任一点P 的坐标；B x 为目标体上
与P 点距离最近点Q 的坐标；n 为目标体在Q 点的外法线方向。

该条件表明两接触体不能相互贯入。

法向接触力为压力，可表达为：0;0B A B F F F ≤-≥
切向接触条件是判断已进入接触的两物体的接触面的具体状态，且向遵守库仑摩擦定律。

目前，国内外学者提出了许多接触问题的求解方法，如直接约束法、子结构法及罚单元法等。

罚单元法在两接触面的各个节点之间建立一种伪单元，以此来模拟面面接触问题。

鉴于罚单元法描述接触问题的方便性，本文采用罚单元法。

2．4基本假设
(1)假设橡胶材料各向同性且均匀连续；
(2)忽略液压油温度变化对密封圈的影响；
(3)忽略橡胶松弛和蠕变对计算的影响。

由于0形密封圈结构边界条件的复杂性，故将密封圈及密封结构的轴、孔作为整体进行分析。

根据密封结构的几何形状、边界条件、密封圈的材料特性和载荷的对称性，将其简化为平面轴对称模型。

由于缸盖和活塞杆的硬度远远大于O 形密封圈的硬度，故将其视为刚体，用直线进行简化。

有限元分析模型中，橡胶单元采用超弹性单元HYPER56，接触对由接触单元CON —TAi72和目标单元TARGEl69配对组成。

其中，密封罔定义为接触单元，缸体和活塞定义为目标单元。

建立的液压往复密封0型圈的平面轴对称有限元模型，如图I 所示。

0形密封圈的尺寸为(伽X 3．55)ram(GB3452．1—
92)，材料为腈基丁二烯橡胶(NBR)，硬度为IRHD(国际橡胶硬度等级)85。