多弹性体密封接触问题的研究

硕士学位论文 多弹性体密封接触问题的研究 机械工程 摘 要 叶片式液压摆动油缸多弹性体密封系统中的叶片密封与端面密封对摆缸密封性能有着极其重要的影响。当其受到预压缩力时，端面密封受到法向力与切向力的作用，端面密封接触表面发生较大变形，易导致液压缸发生泄漏。因此，对叶片密封与端面密封之间接触压力、应力分布及端面密封表面变形进行探讨和分析具有明显的现实意义，能为以后研究液压缸密封性能提供新思路和新参考。针对上述的问题，本文通过理论和试验分析求解得到叶片密封与端面密封的合理尺寸，使叶片式液压摆动油缸达到较好的密封效果。 主要工作内容包括以下几个方面： （1）基于叶片密封与端面密封的材料性质与结构特点，并结合弹性力学和接触力学理论基础，推导出它们接触压力及应力数学关系式，求解出端面密封应力的具体分布规律，并且探讨了端面密封失效形式及其影响因素。 （2）基于弹性力学与接触力学，建立了端面密封与叶片密封在接触表面变形的数学模型，并应用Matlab数学工具研究了预压缩力、弹性模量、密封圈尺寸等影响因子分别对端面密封与叶片密封接触部分的接触压力、应力以及变形的影响规律。 （3）利用ABAQUS有限元软件建立了叶片密封与端面密封接触的有限元仿真模型，计算分析了端面密封应力分布和变形情况，并与数学模型的解析结果进行了对比，进而检验了数学模型解析数据的正确性。 （4）搭建试验平台，通过利用DATA TRANSLATION数据采集器，测出端面密封在受到预紧力作用下端面密封的实际应变值，并与相应模型的仿真值进行比较，进而验证得到数学模型的可行性。 关键词：端面密封；叶片密封；弹性体；接触力学；变形 I Abstract The vane seals and the end seals have an extremely important influence on the sealing performance of hydraulic rotary vane actuator (RVA). Under the action of pre-compression, the contact surface of the end seals will be deformed by the normal force and tangential force and easy to lead to the leakage of RVA. Therefore, it has obvious practical significance to explore deformation condition, the contact pressure and stress distribution between the vane seals and the end seals, and it provides a new idea and new reference for the future study of RVA. Aiming at these deficiencies, Author designs the reasonable size of the vane seals and the end seals through theoretical and experimental analysis, so that the RVA can achieve better sealing effect. The main contents of this paper include the following aspects: （1）According to the structural characteristics and material properties of vane seals and end seals, this paper establishing the theoretical model of contact pressure and stress, to solve the specific distribution through the theory of elasticity and contact mechanics, and discuss the failure modes and their influence factors. （2）The theoretical model of the vane seals and end seals contact surface deformation were established through the theory of elasticity and contact mechanics. Based on Matlab programming, the influences of the pre-compression pressure, elastic modulus, and vane seals dimensions on the contact pressure, stress and deformation of vane seals were calculated and analyzed. （3）The FEA models of the vane seals and the end seals were established by ABAQUS finite element software. The distribution of stress, contact pressure and deformation conditions of the end seals were calculated and the results were compared with the results of the mathematical model, to verify the correctness of the mathematical model. （4）Through building test platform, the actual stress value of the end seals under the pre-compression pressure is measured by the DATA TRANSLATION data collector, the results were compared with the results of the corresponding finite element model, to verify the correctness of the mathematical model. Keywords: Vane Seal; End Seal; Multi elastic body; Contact mechanics; Deformation V 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 绪论 1 1.1课题的提出及研究意义 1 1.2国内外研究现状 2 1.3本课题的主要研究内容 5 第2章 摆动油缸的多弹性体密封系统 7 2.1叶片密封与端面密封的结构 7 2.2叶片密封与端面密封的材料特性 8 2.3叶片密封与端面密封接触应力应变模型 10 2.4摆动油缸端面密封的失效形式及其影响因素 13 2.5本章小结 14 第3章 多弹性体密封接触压力的数值研究 15 3.1叶片密封与端面密封接触压力的数学模型 15 3.1.1模型的建立 15 3.1.2应力与接触压力分布解 23 3.2端面密封接触压力的影响因素 25 3.2.1预紧力对接触压力的影响 26 3.2.2叶片密封半径对接触压力的影响 27 3.2.3密封材料对接触压力的影响 29 3.3叶片密封与端面密封接触压力的有限元分析 30 3.3.1有限元模型的建立 31 3.3.2有限元计算结果 33 3.4有限元模型与数学模型解对比 35 3.5本章小结 38 第4章 多弹性体密封接触表面弹性变形量的数值研究 39 4.1端面密封接触表面变形的数学模型 39 4.1.1模型的建立 39 4.1.2端面密封接触表面弹性变形解的分布 41 4.2端面密封接触表面变形的影响因素分析 43 4.2.1预紧力对端面密封接触表面变形量的影响 43 4.2.2密封尺寸对端面密封接触表面变形量的影响 45 4.2.3弹性模量对端面密封接触表面变形量的影响 46 4.3数学模型与有限元模型的计算结果对比 48 4.4本章小结 51 第5章 端面密封应变测试 52 5.1试验方案 52 5.2试验装置 55 5.3端面密封应变试验 55 5.4试验结果分析 56 5.5本章小结 58 第6章 全文总结与展望 60 6.1全文总结 60 6.2展望 61 致 谢 62 参考文献 63 附录1攻读硕士学位期间发表的论文 66 附录2攻读硕士期间参加的科研项目 67 硕士学位论文 第1章 绪论 1.1课题的提出及研究意义 叶片式液压摆动油缸与一般摆动油缸相比，具有结构紧凑，机械效率高，体积小、易于操控等优点。它是一种由定子、转子、定子叶片和转子叶片组成的液压执行元件，通过在定子叶片、转子叶片和定子、转子之间所形成的油腔内部施加高压液压油来推动转子旋转，并且通过改变液压油的输入方向能使转子作往复旋转运动。因此，摆动油缸可以在不使用任何传动装置的情况下将液压能输出转换成非常高的转矩机械能。基于此，叶片式摆动油缸在各个领域中得到普遍的应用[1]。 叶片式液压摆动油缸虽然有以上优点，但是制约其发展的最主要原因在于摆动油缸的密封较为复杂和困难。在摆动油缸密封系统结构中包含四个叶片密封和两个端面密封，它们之间相互接触形成多弹性体密封系统。叶片密封与端面密封之间密封较为困难，加上它们的结构与材料的复杂性，使得其在液压摆缸中的地位就显得尤为重要，是影响整个叶片式液压摆动油缸工作性能的核心部分[2]。叶片密封与端面密封是叶片式液压摆动油缸密封的重要组成部件，也是定子与转子形成油腔的重要组成部分。它们由弹性橡胶材料组成，叶片密封一般分为环形、框型和矩形，端面密封分为U型和矩形。叶片密封与端面密封对防止摆动油缸的内泄起到了很好的作用。叶片密封与端面密封之间的应力应变和变形量也会对摆动油缸的泄露有重要的影响。接触压力过小时，就不能提供可靠有效的密封；接触压力过大时，叶片密封与端面密封之间的摩擦力增加，虽然较好地起到密封作用，但是影响叶片密封的使用寿命，增加端面密封失效的机率，从而增加叶片式液压摆动油缸的故障率[3]。所以叶片密封与端面密封的尺寸设计的合理性就显得尤为重要，如果叶片密封与端面密封尺寸设计不合理，将会导致摆动油缸的内部发生液压油泄露，而一旦发生泄漏，就会产生不可忽视的后果，这种后果在不同的应用领域产生不一样的影响，严重的甚至会对人的生命造成威胁。 伴随着机械密封技术的日益成熟，密封材料由最初的单一材料变换成现在的复合材料，叶片密封由超弹性体橡胶材料制成，端面密封由聚氨酯材料制成。叶片密封橡胶最初在安装时，由于受到叶片槽的支撑作用，同时受到安装在底部和顶部的端面密封的预压缩作用而发生变形，导致它们之间应力分布较为复杂，所以在安装之初给定合适的预压缩力就显得较为重要，如果预压缩力施加不合适导致叶片密封和端面密封之前的接触压力过大或者过小，这样将会产生之前列举的一系列问题从而影响油缸的稳定性，且工作效率也将会大打折扣。课题研究初期查阅相关资料发现目前对叶片式摆动油缸的叶片密封与端面密封接