电液伺服马达组合密封摩擦学性能的实验研究

　　作为仿真转台的直驱元件电液伺服马达应具有极佳的超低速性能,在以往对于电液伺服马达低速性能的研究中,很少涉及到密封材料的特性对马达低速性能的影响。事实上伺服马达中的动密封摩擦力特性对于马达的低速特性影响是很大的,尤其对位于马达轴根部的聚四氟乙烯密封环而言,其密封面积很大又同时受到高、低两腔大小不同的介质压力,因此该密封环摩擦副所产生的摩擦力对马达低速特性有很大影响。以聚四氟乙烯(PTFE)为主要材料的组合密封环在伺服马达中被广泛采用,它所具有的硬度低、耐磨性差、冷流现象等缺点可以通过在PTFE中加入填料而得到改善^[1-3]。LC9作为一种强度很高的铝合金材料既具有高强度又具备较轻的质量,经过硬质阳极化处理后其表面粗糙度可以达到Ra2.6 mm左右,非常适合作为转台中框和内框伺服马达的壳体材料。

　　本文作者应用有限元软件ADINA对马达中的组合密封环进行有限元分析,计算出组合密封环的密封压力。在此基础上应用正交实验方法对聚四氟乙烯复合密封材料进行了不同载荷、不同组分下的摩擦学实验研究,旨在得到一种对电液伺服马达低速性能最为有利的聚四氟乙烯复合密封材料。

　　1 密封结构

　　研究的电液伺服马达轴根部的聚四氟乙烯组合密封环采用如图1所示的结构形式,其中p代表介质压力,右、下2条粗线段表示动密封的摩擦副接触表面。其中O型圈起到了弹簧的作用,利用与之相配合的楔形钢环使PTFE密封环右、下2个密封表面产生一定的接触应力来保证密封。

　　2 密封压力的计算

　　2.1 材料模型

　　O型圈的截径为3.55mm,内径为197mm,材料为丁腈橡胶(N237H),硬度为邵氏70。橡胶材料的变形受力分析属于非线性有限元范畴,一般广泛采用Mooney-Revlin材料模型进行描述,其应变能函数在ADINA中描述为:

　　其中I₁和I₂分别为应力张量的第1、第2不变量; C₁与C₂由单轴拉伸实验确定。各种材料的物理参数见表1。

　　2.2 模型的有限元分析

　　有限元受力分析采用非线性有限元软件ADINA。模型为轴对称,接触算法使用ADINA特有的约束方程法(ConstraintFunction),与其它的有限元软件一般使用的罚函数法或拉格朗日法相比,约束方程法具有算法稳定、收敛快的特点^[4-5]。

　　利用ADINA软件计算了O型圈不同压缩率时聚四氟乙烯密封环所产生的密封压力。图2分别是O型圈压缩率在15%, 20%, 25%时密封环2个密封表面所产生的密封压力。