液压马达中活塞与缸体的密封结构有限元分析

　　密封装置是液压设备的一个重要的组成部分,它的工作可靠性和使用寿命是液压系统稳定工作的基本保证。在曲轴连杆式液压马达的密封结构中,活塞与缸体的密封性能直接影响其容积效率和机械效率。目前,国产液压马达活塞与缸体之间的密封装置主要采用O形圈加密封环的组合密封。而较新的类似于金属密封中的膨胀环结构,如Staffa中活塞与缸体之间的密封,却很少采用,此结构具有安装简便和密封效果好的优点。鉴于2种马达中活塞与缸体的密封装置的结构和材料不同,本文作者采用有限元法并借助ANSYS软件对这2种结构进行分析并对密封效果进行比较。

　　1 密封结构简介

　　1.1 组合密封

　　该密封采用挤压型弹性体密封[1],如图1 (a)所示, O形圈不仅依靠密封环预压缩而产生预紧力,同时在工作时受高压油挤压, O形圈变形产生自紧力。用塑料做成耐磨的密封环,与O形圈形成组合密封。这样既发挥了塑料的化学稳定性好,耐磨性高的优点,使之与活塞接触,又发挥了O形圈弹性好的优点。

　　1.2 膨胀环密封结构

　　该密封其结构如图1 (b)所示[2],在活塞上有一道环槽,槽内设置两道三角形断面的密封环,上环为楔形环,尼龙材料。下环为膨胀环,聚四氟乙烯材料,具有较低的摩擦因数。压力油从上边进入环槽侧隙,油压力作用在上环的上端面产生向下的推力,使得下环的轴向端面紧贴环槽底面,而周向柱面紧贴缸体内壁起密封作用,密封能力随负载油压的升高而自动加强。

　　2 有限元分析

　　2.1 橡胶体的有限元分析[3]

　　橡胶材料属于超弹性近似不可压缩体。它在受力后,呈现大位移大应变,力学模型表现为复杂的材料非线性和几何非线性。其变形后的体积可近似看成不变,故其应力不能由变形状态唯一确定,而是由变形和静压共同确定。从变分角度讲,由于不可压缩条件的存在,使橡胶体的有限元分析变成一个等式条件变分问题。目前广泛采用Mooney-Revlin模型描述橡胶材料的应变能函数,同时附加体积约束能量项,得一修正的应变能函数。利用修正的应变能函数可使问题化为一无条件变分问题。其修正应变能函数形式为:

　　式中: C1, C2为Mooney-Revlin常数; I₁, I₂, I₃为形变张量的第一、第二、第三不变量,如果材料是不可压缩超弹性体,则I₃=1;A为罚因子,近似理解为材料的体积变形模量。

　　对于不可压缩超弹性材料,应变能函数表征为应变或变形张量的纯量函数,应力表征为应变能函数对应变的偏导数,其本构方程为: