彈性液壓往復密封的增效結構設計研究

2015-03-15 張付英 天津科技大學機械工程學院

  針對彈性液壓往復密封增效結構設計方法研究的不足,提出彈性往復密封的增效結構設計過程模型。通過對密封的使用工況分析,選擇彈性密封的類型和材料;依據密封的操作運行參數,設計密封件的拉伸量、壓縮率或過盈量、密封的間隙和精度; 根據密封的增效形狀設計準則和材料設計準則,在基型基礎上進行密封截面的變形設計和密封的延壽組合設計。某液壓缸活塞桿的密封結構設計實例驗證了該方法的有效性。

  現代機械設備的發展,迫切需要結構簡單、高效、安全、長壽命、無泄漏的往復密封裝置。然而,密封裝置的設計不合理造成的液壓基礎零部件的密封性差、容易漏油等問題一直是困擾國內液壓基礎零部件行業的關鍵問題。傳統的密封結構設計都是基于經驗,設計方案的密封性也只能通過昂貴的實驗評估。近幾年出現的基于有限元方法的往復密封力學性能和結構分析,為往復密封的優化設計提供了直觀和快捷的方法。但往復密封的增效設計研究剛剛起步,文獻對基于TRIZ 理論的液壓往復密封改進設計方法和往復密封的增效技術進行了初步探索,并設計了一種自適應密封介質壓力和自動補償密封力的往復密封裝置,但從理論上并沒有提出一套系統的增效結構設計的方法。真空技術網(http://www.9334467.live/)認為往復密封的增效結構設計研究,可為密封設計人員提供密封增效設計的參考準則和可操作的設計方法指導,為我國液壓密封件的設計提供理論依據,實現液壓設備的高健康率、高安全率、高生產率和低能耗、低維修費,為企業創造良好的經濟效益。

1、彈性往復密封增效結構設計過程

  根據文獻提出的彈性液壓往復密封的增效設計準則,提出了如圖1 所示的彈性往復密封增效結構設計過程模型。它是在液壓往復密封的工況分析基礎上,根據增效設計準則,對密封件的基型進行初步的增效結構設計,最后,通過有限元分析進一步進行增效結構參數優化。

  密封的使用工況分析是對需要密封的流體特性、密封介質的壓力、往復運動速度、工作環境溫度、密封裝置的使用壽命、密封腔體及其材料情況進行分析,確定密封的工作參數和環境參數,從而選擇合適的密封件類型。密封的增效結構設計包括密封的間隙和精度設計、密封件的組合設計、密封件的截面形狀設計和基于有限元分析的結構參數優化設計。

彈性往復密封的增效結構設計過程

圖1 彈性往復密封的增效結構設計過程

2、彈性液壓往復密封的類型選擇

  彈性液壓往復密封屬于接觸式密封,安裝時使其預先具有一定的壓縮量,工作時在油壓作用下,通過彈性變形改變密封偶合面間的接觸壓力實現自緊密封。

  彈性液壓往復密封件根據其工作原理可分為擠壓型密封和唇形密封2 種形式。前者依靠初始安裝時的預應力和施加的預壓縮變形阻塞泄漏通道獲得密封效果;后者則是依靠初始安裝時的預應力,用其唇邊緊貼密封偶合面阻塞泄漏通道獲得密封效果,壓力作用時,唇邊進一步緊貼密封面增強密封效果。擠壓密封根據截面形狀不同有O 形圈、D 形圈、矩形圈、X形圈、H 形圈、三角形圈、T 形圈和異形圈等類型,主要用于壓力不大的往復密封,該類密封件結構簡單、所需空間小、動摩擦阻力小、價格低。唇密封根

  據截面形狀有Y 形圈、YX形圈、V 形圈、L 形圈、U形圈、J 形圈、鼓形、山形和蕾形等類型。除J 形圈和L 形圈用于密封壓力低于1 MPa 的往復密封外,其他唇密封可用于高、中和低壓往復密封,往復運動速度一般在0.15 ~0.5 mm/s 之間。該類密封摩擦阻力小、密封可靠、對磨損具有一定的補償作用,應用廣泛。

  選擇密封件時,根據密封的工作條件( 如工作壓力與速度、工作環境溫度) 和性能指標( 如泄漏量的限制和使用壽命) 及與流體的相容性選擇密封件類型和密封件材料。

5、結論

  (1) 針對傳統的密封結構設計都是基于經驗的設計,設計方案的優劣也只能通過昂貴的實驗評估的缺點,提出了彈性往復密封的增效結構設計過程模型。確立了彈性往復密封增效結構系統化設計的內容,包括密封件的選型、密封件的壓縮和拉伸( 或過盈) 設計、密封間隙和精度設計、密封截面變形設計和密封的延壽組合設計、密封的優化設計等。

  (2) 應用某液壓缸的活塞桿密封結構實例的設計過程驗證了該方法的有效性。