硬度对液压马达O形密封圈性能影响的分析

徐群,黄唯君,王龙,于启洋

(1. 上海航天控制技术研究所,上海 201108; 2. 上海新跃联汇电子科技有限公司,上海 200233)

0 引言

液压马达作为仿真转台的直接驱动元件之一,为实现仿真转台超低速、高频响、宽调速、高精度性能,液压马达O形密封圈应具有良好的密封性能[1-2]。如果密封结构设计不合理,就会导致马达泄漏,降低系统低速运行时的抗干扰能力,增强摩擦力矩对液压马达低速性能的影响,容易导致液压马达低速运行时出现爬行现象。

国内外学者针对O形密封圈进行了大量的实验研究和有限元分析[3-7],但关于密封圈材料硬度对其性能影响的研究却极少。本文以半实物试验用仿真转台液压马达O形密封圈为对象,利用ABAQUS软件建立液压马达密封结构有限元模型,进行O形密封圈摩擦接触有限元分析,研究橡胶材料硬度对O形密封圈接触压力的影响,分析不同材料硬度下O形密封圈Mises应力、O形密封圈与密封副间接触面积以及与马达轴间静摩擦力的分布规律,为液压马达密封结构的优化设计提供技术参考。

1 O形密封圈有限元分析模型

1.1 O形密封圈几何模型

某型号仿真转台液压马达选用多种O形密封圈,但鉴于其密封机理相同,故本文以7mm截面直径O形圈为研究对象。O形圈与液压马达轴和端盖密封沟槽组成轴对称结构,在预压缩量的作用下O形圈产生一定的压紧力。O形密封圈密封几何结构如图1所示。

1—O形密封圈;2—马达端盖密封沟槽;3—马达轴。

1.2 O形密封圈材料模型

ABAQUS超弹性本构模型[7]主要包括Mooney-Rivlin模型、Arruda-Boyce模型、Marlow模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型、Ogden模型、Polynomial模型、Reduced polynomial模型以及Vander Waals模型等。其中,Mooney-Rivlin模型适合于模拟中小应变的橡胶材料力学行为,其应变能函数为[8-9]

(1)

式中:N、Cij和dk均为材料常数;I1、I2、I3为变形张量的第一、第二和第三不变量,当材料为不可压缩材料时,I3= 0。

本文采用工程中常用的两参数Mooney-Rivlin模型[10]进行密封圈摩擦接触的有限元分析,其应变能函数为

W=C10(I1- 3)+C01(I2- 3)

(2)

式中C10和C01为Rivlin系数,与材料的应变能偏量部分有关。

LEE、CHARLTON等[6-7]通过大量的实验研究发现Mooney-Revlin模型的Rivlin系数与橡胶硬度HA(IRHD国际标准橡胶硬度)存在以下函数关系:

C10= (31.5+4.3HA)/[15(100-HA)]

(3)

C01=0.25C10

(4)

有限元分析时由式(3)—式(4)计算出不同材料硬度下的与应变能偏量部分有关的2个材料常数C10和C01。

1.3 O形密封圈材料有限元模型

建模时O形圈材料模型采用近似不可压缩弹性材料的两参数Mooney-Rivlin模型函数,采用4节点轴对称杂交单元CAX4H划分网格;马达轴和端盖沟槽有限元模型采用轴对称解析刚体,创建参考点1和参考点2分别约束马达轴和端盖。在O形圈与马达密封副之间定义接触对,其中马达轴和密封沟槽外表面为主面,O形密封圈外表面为从面。采用罚函数法求解马达密封副与O形密封圈之间的接触问题,摩擦模型选用库仑摩擦模型。O形密封圈、马达密封副有限元模型如图2所示。

1—参考点2;2—马达轴;3—马达端盖密封沟槽;4—O形密封圈;5—参考点1。

2 材料硬度对O形密封圈与马达密封副间接触压力的影响

采用二维轴对称模型分析O形密封圈材料硬度对O形密封圈与马达密封副间接触压力的影响。初始状态下O形密封圈与端盖密封沟槽相配合,但与马达轴相分离。先施加较小的液压力,通过参考点2控制密封圈的压缩量,待马达密封副与O形密封圈充分接触后对O形密封圈右侧施加10MPa的实际液压力,模拟O形密封圈对马达密封副的密封性能。图3为不同材料硬度(65 HA,70 HA,75 HA,80 HA,85 HA,90 HA)时O形密封圈与马达密封副之间的接触压力曲线。

图3 O形密封圈与马达密封副间接触压力变化曲线

由图3可知,O形密封圈与马达密封副间的接触压力随橡胶材料硬度的变化出现“驼峰”式变化,而且接触压力在“驼峰”位置随材料硬度的增加而增加,最大值分别为16.8MPa和17.2MPa,同时可以发现随着材料硬度的增加,“驼峰”处接触压力的增大幅度逐渐变大。但在其他位置(除接触压力末端),O形密封圈与马达密封副间的接触压力则随材料硬度的增加而减小,即与“驼峰”处压力曲线存在一个转折点。此外,由密封结构有限元模型发现,“驼峰”位置即为O形密封圈与马达密封副间的有效密封位置,即表明该规格O形密封圈可以满足仿真转台液压马达技术要求。

3 材料硬度对O形密封圈Mises应力的影响

O形密封圈的Mises应力反映了马达轴、马达端盖密封沟槽及马达内液压力对O形密封圈受力的影响。一般来讲,应力值越大的区域,材料越容易出现裂纹并随之发生撕裂破坏,最终导致O形密封圈密封失效。图4—图9为10MPa马达液压力作用下,材料硬度分别为65、70、75、80、85、90时的O形密封圈Mises应力分布云图。

图4 硬度为65 HA时O形圈Mises应力云图

图5 硬度为70 HA时O形圈Mises应力云图

图6 硬度为75 HA时O形圈Mises应力云图

图7 硬度为80 HA时O形圈Mises应力云图

图8 硬度为85 HA时O形圈Mises应力云图

图9 硬度为90 HA时O形圈Mises应力云图

由图4—图9发现随着橡胶材料硬度的增加O形圈尖角逐渐减小,即马达正常工作时被挤入马达轴与端盖间密封间隙的O形密封圈体积减少。同时还可以发现O形密封圈Mises应力基本随材料硬度的增加而增大,而当硬度大于85时增幅较大,且最大Mises应力均出现在O形密封圈尖角处。因此在液压马达轴密封结构设计时应选择合适硬度的O形密封圈,同时还应严格控制马达端盖密封沟槽棱角,防止棱角对O形密封圈的划伤,延长O形密封圈寿命。

4 材料硬度对O形密封圈与马达密封副间接触面积的影响

O形密封圈与液压马达密封副之间的接触面积在一定程度上决定了密封结构的可靠性。图10为不同硬度下(65,70,75,80,85,90)O形密封圈与马达密封副间接触面积的变化曲线,由图10可知O形密封圈与马达密封副间的接触面积基本随O形圈材料硬度的增加而减小,而且当硬度大于85时减小幅度增大。因此在马达轴密封结构设计时应严格控制O形密封圈硬度,保证O形密封圈与密封副之间具有足够的有效接触面积。

图10 O形密封圈与密封副间接触面积变化曲线

5 结语

1)O形密封圈摩擦接触有限元分析表明,O形密封圈材料硬度是影响O形密封圈接触压力、Mises应力、接触面积以及与马达轴间接触面积的综合因素,因此在液压马达密封结构设计时应综合考虑优化设计,在保证接触压力的前提下合理降低O形密封圈材料硬度以保证密封结构的可靠性。

2)O形密封圈与马达密封副间的接触压力分析表明,接触压力随O形密封圈材料硬度的变化呈“驼峰”式变化,而且在“驼峰”位置随材料硬度的增加而增大。故在马达密封结构设计时O形密封圈材料硬度不能过低,以保证O形密封圈与马达密封副间的有效接触压力。

3)O形密封圈与马达密封副间的摩擦接触分析表明,O形密封圈材料硬度小于85 HA时,对O形密封圈Mises应力的影响并不明显;但当材料硬度大于85 HA时, Mises应力增大幅度变大,容易导致密封圈损坏。

4)密封圈与马达轴间接触面积整体趋势上随密封圈材料硬度的增大而减小,故应在保证密封圈与密封副间接触压力的基础上尽量减小密封圈硬度,保证密封圈与马达轴接触面间足够的接触面积。