无泄漏柱塞缸密封件层叠结构轻载大行程下变形规律*

张海涛 石 洋 张洪信 张鹏飞 程联军

(青岛大学机电工程学院 山东青岛 266071)

泄漏是液压缸的一种典型故障，不仅会造成油液外溢而污染设备环境，而且会造成系统压力不稳定而损坏设备。因此，通过设计减少液压缸泄漏具有重要的工程价值[1]。针对液压缸泄漏问题，本文作者所在团队提出了一种新型无泄漏柱塞缸[2]，基本结构简化如图1所示。其密封件摆脱传统密封形式，采用套筒型密封件，将密封件套在柱塞一端，然后装入缸内，通过法兰连接压板和缸体进行固定，柱塞在运动过程中不存在液压油泄漏问题。

图1 无泄漏柱塞缸结构

新型缸密封方式中，橡胶密封件是最重要的结构。橡胶密封件的变形对柱塞缸应用有很大的影响，针对密封件加载过程中的变形设计了一种层叠结构[3]，为了证明该结构的合理性，需要对其进行研究分析。传统橡胶产品设计研究都是基于经验，设计方案的性能也只能通过昂贵的实验评估，耗时长且花费高。随着计算机技术的发展，有限元方法已经得到广泛应用。

LEE等[4]提出了一种基于有限元分析和经验模拟相结合的近似分析橡胶衬套动态特性的混合方法，所提出的混合方法可以预测橡胶衬套的动刚度，且不需要迭代试验和较高的计算代价。马洋洋等[5]利用有限元软件研究了不同温度下发动机油气分离器密封胶条的性能。张付英等[6]利用有限元软件分析了不同高径比下不同材料的封隔器胶筒变形稳定性。江华生等[7]利用有限元软件建立油封模型，研究其应力和变形，分析了不同因素对接触特性参数的影响。除此之外，有限元方法在研究密封圈的性能等方面也有着广泛的应用，许多学者利用有限元方法对密封圈进行了各种研究[8-11]。

在分析橡胶类产品中时，利用有限元软件对橡胶件进行模拟分析可以缩短实验周期，降低成本等，且结果具有可靠性。因此，本文作者采用有限结合实验的方法，对无泄漏柱塞缸层叠型密封件进行分析，研究其在加载过程中的变形，进而验证层叠结构的合理性。

1 有限元模拟分析

1.1 密封件结构

柱塞在运动过程中，密封件会随着运动发生变形，行程越大，变形也越大，同时与柱塞的接触区域也会产生摩擦力。橡胶密封件在工作工程中的变形，对柱塞缸的机械效率和密封件的寿命都存在影响。在密封件设计初期，提出了3种结构，分别为直筒型、波浪型和层叠型密封件，在对3种结构密封件进行仿真模拟后，综合应力、摩擦力等模拟数据，选择层叠型密封件为最佳结构。

根据柱塞行程，结合密封件层叠结构，设计了密封件样件。密封件中层叠部分的主要目的是吸收位移行程，减少应力集中，防止密封件畸变，从而提高密封件的承受能力。

1.2 橡胶材料本构模型

密封件使用的材料是丁腈橡胶，在进行模拟分析时，要注意橡胶材料的非线性特征，即几何非线性、材料非线性和接触非线性[12]。

橡胶材料的非线性特点大大增加了模拟分析的困难，因此，橡胶本构模型的选取对分析结果的准确性有重要的影响。Mooney-Rivlin模型是一个比较常用的模型，几乎可以模拟所有橡胶材料的力学行为[13]。对于不可压缩材料，典型的二项三阶Mooney-Rivlin模型展开式为

W=C1(I1-3)+C2(I2-3)

式中:W为应变能密度；I1和I2为第一、第二应变张量不变量；C1、C2为模型的材料系数，此处分别取1.87和0.47 MPa[14]。

1.3 有限元模型

在ABAQUS软件中，为了方便计算，将三维模型简化为二维轴对称模型，同时将缸体和压板部分进行简化，如图2所示。模型中密封件为丁腈橡胶，密度ρ=1 200 kg/m3。定义密封件之外的实体部分为钢，泊松比为0.3，弹性模量E=210 GPa，密度ρ=7 860 kg/m3。

图2 有限元仿真模型

定义层叠外凸部分为外层叠，内凹部分为内层叠。

1.4 边界条件及载荷加载

将压板和缸体定义为刚体，并限制其所有自由度。通过定义柱塞位移模拟运动过程，柱塞总行程为80 mm，速度为11.5 mm/s。设置橡胶与其他部件的摩擦因数为0.2。运动过程中设置密封件承受的加载压力为0.6 MPa，最终保压状态压力为1.2 MPa。

2 模拟结果与分析

2.1 密封件变形分析

模拟密封件在加载过程中的变形，分析层叠的变化规律。规定安装位置为模型初始状态，此时柱塞端部与压板底部共线，密封件处于轻度拉伸状态。

整个加载过程中，密封件变形如图3所示，图中给出了柱塞不同行程下密封件的变形过程。在工作初期，当油压开始作用到密封件的时候，层叠在行程1发生初步变形，密封件内层叠处开始与柱塞接触，同时外层叠发生初步压缩，此时柱塞行程较小，约为2.5 mm；随着工作过程进行，内层叠开始与柱塞贴紧同时外层叠的压缩更加明显，如图3中行程2所示。

图3 加载过程密封件变形过程

随着加载过程继续，柱塞行程变大，密封件进入中期变形状态。在压力和柱塞位移的作用下，层叠开始发生明显变化，如图3中行程3至行程8所示。行程3中柱塞位移为22.5 mm，行程8中柱塞位移为80 mm，选取此阶段行程间隔为11.5 mm分析密封件变形。

在整个中期变形过程中，内层叠在压力作用下，随着柱塞运动发生压缩变形，外层叠在压力作用下，随着柱塞的运动和内层叠压缩发生伸长变形，外层叠接触面积增大，高度下降。当最下端的层叠在当前压力下变形到极限后，下一个层叠开始发生变形，变形过程与下端层叠一样，在变形过程中，2个层叠逐渐开始接触。在整个变形期间，层叠变形顺序为由下至上，且变形过程相似，都是内层叠压缩变形，外层叠伸出变形，且相互靠拢。

密封件最终变形如图3中行程8所示，可以看出，外层叠的伸出长度相近，且最终紧贴在一起。在整个变形过程中，由于内外层叠的压缩，密封件起到了吸收行程的作用，同时因为密封件设计了层叠部分，其压缩变形也有了规律，达到了最初设计的目的。

2.2 密封件应力分析

von Mises应力反映了密封件截面上主应力差值的大小，一般来说，应力值越大的区域，材料越容易出现裂纹[15]，密封件变形后的应力分布对预测其失效破坏区域具有重要意义。

密封件的上半部分的Mises应力值相较于密封件整体较小，因此在研究时忽略此部分。密封件变形最终Mises应力云图如图4所示。在分析时，为了更直观地展现易破坏区域，将云图应力大于1 MPa部分突出表示。

图4 密封件变形后的von Mises应力分布云图

根据云图结果，密封件变形后，较大的Mises应力值主要分布在层叠转角处及密封件底部转角处，这些部分在变形过程中发生大变形，容易造成密封件破坏，在应用过程中需要注意。

密封件在剪切作用下也会发生失效破坏，密封件变形最终的剪切应力云图如图5所示。将云图应力大于1 MPa或小于-1 MPa的部分突出表示，可以看出，剪切应力的分布与Mises应力的分布类似，较大值都是在转角处，结合2种应力分布可以更加明确密封件变形后易破坏区域。

图5 密封件变形后的剪切应力分布云图

若采用普通的直筒型结构，密封件在变形的过程中，密封件底部转角处将会产生较大的应力集中，如图6所示。可以看出，此时应力集中处的应力值远远大于层叠密封件的最大应力值，因此密封件设计层叠结构可以有效降低应力集中对密封件造成的破坏。

图6 直筒型密封件变形后的应力分布云图

3 密封件受压变形实验

密封件的受力变形在柱塞缸实际加载过程中比较复杂，仅通过仿真分析无法确保结果的准确性，因此设计实验观察密封件在实际加载过程中的变形，同时验证模拟结果的准确性[16]。

在进行正式实验前，为了保证实验结果的准确，首先进行2次预实验，目的是保持密封件良好的状态。实验过程中，工作压力为 0.6 MPa，通过调整定量泵控制保压压力为1.2 MPa，柱塞的行程为80 mm,固定拍摄位置，观察记录密封件实际受压变形的过程，如图7所示。

从图7(a)、(b)可以看出，在安装位置时，密封件处于轻度拉伸状态，随着油压作用，层叠开始被压缩；随着油压的逐渐升高，层叠变形越来越明显，从图7(c)、(d)中可以看出，层叠变形发生畸变，产生垂直于层叠方向上的变形，这是由于密封件存放时间过长，且存放过程中存放不规范导致层叠产生微小变形，当密封件被拉伸时，变形被放大，在压力作用下，最终产生畸变变形；随着工作过程继续，如图7(d)—(f)所示，层叠开始慢慢靠拢，靠拢顺序为由下至上，并且层叠畸变在靠拢的过程中逐渐消失，最终在压力的作用下，层叠平整地接触在一起。

图7 密封件实际加载变形

密封件最终变形结果如图8所示，可以看出，有限元模拟结果和实验结果中，密封件的外层叠最终都是贴紧在一起的，而且近乎水平。根据实验结果分析，密封件在工作过程中的实际变形与模拟过程的变形，都是在压力作用下首先发生初步压缩，随着工作过程的继续，层叠发生由下至上的靠拢，最终层叠靠拢在一起。因此，利用建立的仿真模型分析密封件变形是可行的，且结果准确可靠，所设计的密封件层叠结构合理，能够达到预期的效果。

图8 密封件最终变形

4 结论

(1)层叠结构密封件在整个变形过程中，由于内外层叠的压缩，密封件起到了吸收行程的作用，同时因为密封件设计了层叠部分，其压缩变形也有了规律，达到了最初设计的目的。

(2)层叠结构密封件在模拟和实验的过程中，表现出良好的变形规律，证明所设计的层叠结构达到了最初设计的目的，即吸收大行程变形，防止密封件产生不规律变形。

(3)所建立模型在研究密封件变形时结果可靠、准确，为后续密封件深入分析、设计和优化提供了指导。