基于伺服液压缸X形密封圈的数值模拟.pdf

液压气动与密封/2 0 2 4年第1期doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.01.003基于伺服液压缸形密封圈的数值模拟朱俊1-2,傅连东12,湛从昌1,2（1.武汉科技大学治金装备及其控制教育部重点实验室，湖北武汉43 0 0 8 1；2.武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉43 0 0 8 1）摘要：针对伺服液压系统中的执行元件伺服液压缸活塞中的X形密封圈，采用有限元分析软件ANSYS建立其二维轴对称有限元模型,研究X形密封圈在沟槽圆弧半径、流体压力、初始压缩率不同参数的条件下,对Von Mises应力、主接触面最大接触压力大小的影响。结果表明：内行程时沟槽圆弧半径为2.6 mm时密封性能最佳,外行程时沟槽圆弧半径为2.2 mm时密封性能最佳;X形密封圈在流体压力为10 2 0 MPa的范围内密封性能逐渐变差；初始压缩率为5%15%时密封性能逐渐变好。关键词：伺服液压缸；X形密封圈；数值模拟；ANSYS有限元分析中图分类号：TH137;TB42Numerical Simulation Based on X-ring Seals of Servo Hydraulic Cylinders(1.Key Laboratory of Metallurgical Equipment ant Its Control of Wuhan University of Science and Technology,2.School of Mechanical Automation,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China)Abstract:For the X-ring in the piston of the servo hydraulic cylinder,the executive element in the servo hydraulic system,the finite elementanalysis software ANSYS was used to establish its two-dimensional axisymmetric finite element model to study the influence of the X-ring seal onthe Von Mises stress and the maximum contact pressure of the main contact surface under the conditions of different parameters of groove arcradius,fluid pressure and initial compression ratio.The results show that the sealing performance is best when the groove arc radius is 2.6 mmduring the internal stroke,and the best sealing performance when the groove arc radius is 2.2 mm when the outer stroke,and the sealingperformance of the X-shaped sealing ring gradually deteriorates in the range of fluid pressure of 10 20 MPa.When the initial compressionratio is 5%15%,the sealing performance gradually becomes better.Key words:servo hydraulic cylinder;x-ring;numerical simulation;ANSYS finite element analysis0引言液压伺服系统在工程中应用广泛，伺服液压缸作为执行机构对准确度要求较高，密封性能会直接影响伺服系统的准确性，所以必须要保证伺服液压缸的密封性能。X形密封圈的特点：往复运动时不会翻转、扭曲；由于所需径向预压缩量小,故Von Mises 应力小摩擦力也小；凸起部分之间在工作时充满润滑油所以润滑条件好,摩擦因数小；由于接触压力分布均匀,所以泄漏收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 2基金项目：国家自然科学基金（5 147 5 3 3 8）作者简介：朱俊（1999-），男，湖北武汉人，硕士研究生，主要研究流体传动与控制。16文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 1-0 0 16-0 5ZHU Junl2,FU Lian-dong,ZHAN Cong-chang-?Ministry of Education,Wuhan 430081,China;小；主要应用在动密封场合，也可用在静密封场合；适于双作用往复运动的活塞等，且也可用在摆动、螺旋下的轴和心轴；工作压力不大于 40 MPa,速度应不大于0.5 m/s,温度-6 0 2 0 0 2 为了更好的反应出X形密封圈的特点,应用有限元仿真软件ANSYSWorkbench的静力结构板块对X形密封圈进行数值模拟，从Von Mises应力和最大接触应力来分析X形密封圈的密封性能 3 。C1液压伺服系统的工作原理液压伺服系统的三要素是稳定性、快速性和准确性。液压伺服系统是让位移、速度或力能自动准确地随着输出量的变化而变化,液压伺服系统是一个闭环系统,其基本原理是输人量与输出量比较从而消除偏差，液压伺服系统的原理图如图1所示。Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024液压能源输入位移液压9X伺服阀(p)-图1液压伺服系统方框原理图液压缸作为液压伺服系统的执行机构,能够将压力能转换为机械能，可以实现重载荷平稳运行与换向。图2 中,是一个伺服液压缸，液压缸通过进油口和出油口的压力差使液压缸工作，密封圈可以防止高压侧的油液直接泄漏至低压侧。231,6.X形密封圈2,7.前后端盖3.垫圈4.缸体5.带杆活塞图2 伺服液压缸结构图2不有限元仿真2.1基本假设有限元分析法主要思想是将分析对象离散化，分成有限个单元体，相邻单元之间由节点连接，利用ANSYS 的内置函数和平衡方程 4,结合边界条件求解方程组求出各个节点的应力应变等数值。为了使求解方程易于收敛，对有限元模型作如下假设 5 ：（1）假设组合密封圈结构不受重力作用，结构是完全二维轴对称；（2）假设橡胶材料在各处的蠕变性质相同,边界接触处有静摩擦和滑动摩擦；（3）在模拟中温度保持不变。2.2模型简介本研究运用液压伺服系统中液压缸的密封来进行分析,该液压缸在最大负载时承受2 0.8 MPa的压力。密封件结构尺寸如图3 所示,其中截面直径为6 mm,沟槽圆弧半径为3 mm。2.3材料本构模型X形橡胶圈是由氢化丁腈橡胶加工而成的超弹性材料，具有几何、材料和接触非线性。在ANSYS中采输出位移控制液压缸XP对象45主密封区R36图3 密封结构尺寸示意图用应变密度函数W来描述橡胶的材料性能,其应变函数为：6式中，C,为常数,且满足Coo=0。由于超弹性材料的体积不可压缩，应变量I1,l2,l3可以表示为：1=(入i+入2 +入3)12=(入入+入2 入3+入入)(I,=(入i入2 入3)采用不可压缩的Mooney-Rivlin模型来描述橡胶材料,本构方程为：W=Cio(l-3)+Cor(I2-3)式中，l,l2应变张量的两个主不变量入i,i,入一主拉伸率Cor,CioMooney-Rivlin 模型的材料常数。氢化丁腈橡胶 Cio=-5.928 MPa,Col=18.54 MPa,D;=06 档环为聚四氟乙烯（PTFE），缸筒和活塞为结构钢,其材料属性如表1所示。表1材料属性密度杨氏模量项目kg/m3PTFE2100结构钢7850橡胶12002.4挂接触非线性接触类型设置为摩擦接触，接触行为设置为不对称，接触公式设置为广义的拉格朗日法，检测方法设置为在高斯点上,法向刚度设置为因数（因数为1）,其他保持默认设置 7 。17W=ZC,(I-3)(I-3)8i=o,j=0(1)(2)(3)泊松比MPa960200000140.420.30.5液压气动与密封/2 0 2 4年第1期2.5i边界条件及加载对本模型模拟施加载荷的步骤如下 8 ：Step1:对缸筒施加强制位移,模拟密封圈预压缩过程；Step2：在Step1的步骤上，运用APDL命令模拟流体压力的施加；Step3:在 Step1、S t e p 2 的步骤上,对活塞施加强制位移，模拟外行程过程；Step4:在Step1、S t e p 2 的步骤上，对活塞施加强制位移，模拟内行程过程。3仿真结果静密封是保证液压缸在不工作时油液不泄漏。在沟槽圆弧半径为2 mm，压缩率为10%，流体压力为10MPa的条件下对密封圈的数值模拟计算结果如下。Von Mises 应力是基于剪切应变能的一种等效应力,并同时考虑了第一、二、三主应力 9。Von Mises 应力表达式为：(4)式中VonMises应力一表示第一、二、三主应力01,02,03-橡胶圈预压缩过程所受的的Von Mises应力最大值为14.8 46 MPa，由图4a可知4个凸角中心和上下两个沟槽Von Mises应力最大,这些地方是危险区。由图4b可知，预压缩过程中最大接触接触压力为20.663MPa,最大接触压力分布在4个凸角处，且接触长度较短。运用APDL命令来模拟施加流体压力载荷。由图5a可知橡胶圈所受VonMises应力最大值为23.35MPa,施加流体压力载荷之后VonMises应力由上下对称分布变为集中在下面沟槽表面。由图5 b可知，施加流体载荷之后，密封圈下面的接触压力较大，原因是流体流向是从上往下的，主密封区的接触长度增加,使密封性能增加。4结果分析动密封在活塞往复运动时起到密封作用，外行程是指沿流体的压力方向将活塞杆往外推出,内行程与外行程相反 10 为了研究沟槽圆弧半径、流体压力和压缩率对密封性能的影响，用数值模拟的方法分析各个因素对主密18A：静态结构孝效应力3类型：效(Von-Mises）应力单位:MPa时间：152023/2/209:3214.846最大12.76710.6888.60876.52964.45052.37130.29221最小(a)Von Mises应力A：静态结构压力类型：压力单位:MPa时间：152023/2/209:4120.663最大18.0815.49712.91410.3317.74865.16572.58290最小图4预压缩的仿真结果B：静恋结构等效应力3类型：等效(Von-Mises）应力单位:MPa时间：3 52023/2/20.9:4323.35最大20.50717.66514.82211.989.13746.2953.45250.61006最小B：静态恋结构压力类型：压力单位:MPa时间：3 52023/2/209:4541.079最大35.94430.80925.67420.5415.40510.275.13490最小图5 施加流体载荷的仿真图(b)接触压力(a)Von Mises应力(b)接触压力Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024封面接触压力的影响程度 10 式中，流体压力下最大接触压力4.1沟槽圆弧半径对密封性能的影响沟槽圆弧半径为2,2.2,2.4,2.6,2.8,3,3.2,3.6,4mm的密封圈的数值模拟计算如图6、图7 所示。45444339382.0图6沟槽半径对最大接触压力的影响34323028262422202.0图7 沟槽半径对Von Mises 应力的影响由图6 可知随着沟槽圆弧半径的增大,内行程和外行程的最大接触压力都是先增大后减小。但是内行程的峰值出现在沟槽圆弧半径为2.6 mm时,该值为44.555MPa；外行程的峰值出现在沟槽圆弧半径为2.2 mm 时,该值为 40.6 43 MPa。由图7 可知沟槽圆弧半径在2 3 mm的范围内，内行程的VonMises 应力趋于平稳；外行程的VonMises应力下降缓慢。故内行程时沟槽圆弧半径为2.6 mm时密封性能最佳;外行程时沟槽圆弧半径为2.2 mm时密封性能最佳；双作用时沟槽圆弧半径为2.6 mm密封性能最佳。4.2流体压力对密封性能的影响最大接触压力与流体压力为线性递增关系，其关系式为：Oes=Oo+kp。一预压缩下最大接触压力k一一最大接触压力与流体压力的线型比例系数p一一流体压力密封性能指数是数值化密封性能的一个参数，密封性能指数表达式为：=(Pmax Po)/po二二外行程一一内行程2.53.0沟槽圆弧半径/mm二行程一外行程2.53.0沟槽圆弧半径/mm(6)式中,密封性能指数Pmax密封圈最大接触压力Po流体压力流体压力为10,12,14,15,16,18,2 0 MPa的数值模拟计算如图8、图9所示。3.54.03.54.06560/454010图8流体压力对最大接触压力的影响3.63.22.82.42.01.610图9密封性能指数示意图由图8 可知流体压力在10 2 0 MPa的范围内流体压力与最大接触压力近似线性关系，基本符合公式(5)。由图9 可知随着流体压力的增大,内、外行程的密封性能指数均减小，且斜率也逐渐减小，但是密封性能指数始终大于0,因此在流体压力为10 2 0 MPa的范围内密封圈能保证密封效果但其密封性能逐渐(5)变差。12流体压力/MPa12141618流体压力/MPa141618202019液压气动与密封/2 0 2 4年第1期4.3压缩率对密封性能的影响压缩率过小会出现无法堵住主密封面的泄漏；压缩率过大会出现磨损较大和摩擦较大，降低使用寿命。因此密封圈压缩率要结合工况来选择。压缩率的表达式为：8=(D-d)/D 100%式中,8 一一压缩率D一一密封圈的初始截面直径d一一密封圈预压缩的截面直径压缩率为5%，10%，15%的数值模拟计算如图10、图11所示。由图10 可知随着压缩率增大,最大接触压力也随之增大。由图11可知接触压力大于流体压力的接触宽度超过4mm,起密封作用的宽度超过2/3，因此在压缩率为5%15%的范围内密封圈的密封性能逐渐变好。50一外行程一一内行程48464038360图10压缩率对最大接触压力的影响50压缩率为5%压缩率为10%40-压缩率为15%3020100图11压缩率的接触压力分布示意图5结论（1）内行程时沟槽圆弧半径为2.6 mm时密封性能最佳,外行程时沟槽圆弧半径为2.2 mm时密封性能最佳，双作用时沟槽圆弧半径为2.6 mm时密封性能最(7)佳且VonMises应力较小；该密封圈可作用于双作用液压缸，但内行程比外行程的密封性能更好。（2）X 形密封圈通过ANSYS有限元仿真进行数值模拟得到的结果显示,流体压力在10 2 0 MPa的范围内流体压力对应的接触压力近似于线性增加,密封性能指数逐渐减小,但其值均大于0,说明X型密封圈在流体压力为10 2 0 MPa的范围内密封性能逐渐变差，但均可保证密封圈正常工作。（3）初始压缩率为5%15%时具有良好的密封性能,且密封性能逐渐变好。参考文献1 王锐，张祝福.基于AMESim的间隙密封伺服缸位置控制参数优化 J.机床与液压，2 0 19,47（15）：17 6-17 8.2刘占军,王哲峰.X形变截面优化橡胶密封圈比较应力有限元分析 J.润滑与密封，2 0 10,3 5（1）：5 6-5 8,7 7.3温正，张文电.ANSYS14.0有限元分析权威指南M.北京：机械工业出版社,2 0 13.4王玺，仲健林，夏文嘉，等.组合密封圈密封性能仿真研究J.机械制造与自动化,2 0 19,48(6：13 0-13 3.510压缩率%1112345接触宽度/mm152065杨立霞.制动气缸密封圈的动态性能分析与测试 J.液压气动与密封,2 0 2 2,42(11):7 3-7 6.6 李海宁，陈柳青，曾佑奎，等.密封弧面半径对C形组合密封圈密封性能的影响 J.科学技术与工程,2 0 2 1,2 1（9)：3531-3536.7谭蔚，付亚康，王建军，等.V型密封圈结构参数对密封性能影响研究 J.化工机械，2 0 2 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