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液压支架立柱密封圈的有限元分析

发布于:2018-03-02 17:46
有限元分析

       液压支架是综采工作面的重要设备,它的安全性也尤为重要。立柱千斤顶的密封性能在液压支架的使用中占主要作用,它的主要失效方式就是漏液,漏液不仅污染了周围环境,还影响综采工作而的生产效率,给操作管理造成很多麻烦,严重时支架毁坏,产生危险。造成漏液现象有很多原因,其中最主要的就是密封件质量不行。液压系统中活塞、柱塞和活塞杆密封中都有Y形圈的使用。为了模拟Y形圈在实际工作中的情况,一般内、外唇都有一定的过盈量。这样在装入沟槽中时,密封唇就会产生一定的预应力,达到密封的效果。当开始工作时,系统内部有压力,Y形圈被压缩,由于其特殊的形状,将产生圆周方向的变形,产生接触压力。压力越大,Y形圈的变形和接触压力也越大,从而达到自密封效果,本研究根据设计手册选出一种Y形密封圈。一直以来,都是让密封圈进行工作,或者通过试验来检测它的性能。这样会浪费很多的时间、精力以及成本,而且效率低。为了在密封圈投入使用之前就可以了解它的性能。本研究提出用有限元分析App来模拟密封圈的工作情况,通过得出的数据来分析密封圈的应力和接触应力,从而为密封圈的设计和生产提供了依据。
       选取了聚氨醋Y形密封圈,这种材料与橡胶类似,都属于高弹性体,高弹性体材料是一种非线性材料,包括几何非线性、材料非线性和接触非线性。从Y形圈的模型特点以及受力特点,都是成轴对称的,所以有限元模型只选取Y形圈及沟槽的截面模型。
       Y形圈在沟槽中被挤压,而聚氨醋材料和金属材料的接触问题可以看成超弹性体和刚体之间的接触问题。所以,密封圈的有限元分析实际上是对超弹性体进行非线性接触分析。建模时可以将缸体与沟槽设计成刚体,而密封圈设计成可变形体。Y形圈有限元分析的材料选择聚氨醋材料,聚氨醋材料的密度2xe-9t/mm。对于这种高度非线性材料用Mooney-Rivlin模型来描述,作如下假设:①密封圈具有确定的弹性模量E和泊松比u;②聚氨a密封圈材料拉伸与压缩的性质相同;③密封圈的变形不引起体积的变化。
       密封圈的密封能力是由接触压力的大小决定的,接触压力越大,密封性能越好。保证密封性能的条件就是密封而的接触压力不小于当时的工作油压。所以,密封的接触压力的最大值是保证密封的条件。
       在对Y形密封圈进行有限元分析时,要考虑到密封圈的安装过程,所以要分两个分析步进行加载:①将刚体边界沟槽和缸沿Y形圈径向移动,模拟装配过程;②对密封圈施加压力,模拟密封圈的工作情况。
       模拟装配过程中,Y形密封圈与压缩量取2.2mm形变形式,应力以及接触应力其压缩形变、Von-Mises应力以及接触应。可以看出,最大应力出现在左右唇交汇处。
       Von-Mises应力代表Y形圈截而上各主应力差值的大小。应力值越大的区域,材料越容易出现裂纹。而且应力越大,材料越容易松弛,从而造成“刚度”下降。
       本研究中选取油压p=25、31.5、50、90、100MPa。五个不同的压力值分析密封圈的应力值。
       随着工作压力的增加,最大Von-Mises应力值逐步增加。不同压力下Y形圈的变形及Von-Mises应力分布。


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