液压缸密封件的有限元分析及改进设计

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1、液压缸密封件的有限元分析及改进设计Optimizationofsealingo-ringbasedonfiniteelementanalysis【摘要】介绍了液压缸的常用密封件的分类，利用有限元分析软件ANSYS对液压缸往复密封用橡胶密封圈进行建模和计算，分析密封圈最易受损和失效的关键部位，并结合液压缸活塞杆动态密封机理提出了优化设计模型。对密封件的设计改进提供一种可行的方法。关键词：有限元分析；优化设计；密封圈；密封机理【Abstract】ByusingANSYSengineeringanalysissystem，thefiniteelementanalysismo

2、delforsealing0-ringofhydrodynamiccylinderwassetuptoanalyzetheeasiestpartstobedamagedandthekeypartstobedisabled．Integratedwithsealingprinciplesforpistonofhydrodynamiccylinder，anoptimizedmodelofsealingO-ringWasproposed，whichpointedoutanavailablewaytooptimizethedesignofsealingO-ringKeyword

3、s：FEM；Optimization；SealingO-ring；Sealingprinciple0引言在液压系统中，液压缸是动力传递元件。而液压缸中，活塞和导向套上所选用的密封圈，对液压缸在规定的条件下，规定的时间内，完成规定的功能，而使其性能保持在允许值范围内是至关重要的。如果密封件过早地失效，动力传递的功能必将随之消失。在现代设计中，合理选用密封件以及合理的结构设计，是保证产品性能提高产品质量的必要条件。1液压缸的密封性及密封装置的分类液压缸依靠密封油液容积的变化传递动力和速度。密封装置的优劣，将直接影响液压缸的工作性能。密封件的不好液压缸，不仅不会污染环境、降

4、低容积效率、增加功率损失，有时还会影响液压缸的正常动作，甚至引起安全事故。液压缸的活塞干往复运动不可避免的要带出些油液，因此不可能做到绝对密封。但是这种渗漏要尽量少。根据工作原理和结构特点的不同，密封装置可作如下分类：(1)挤压密封密封件在液压力的作用下，紧贴于相互配合件之间的间隙实现密封，如o形密封因和矩形密封图。(2)唇边密封密封件的唇边在液压力作用下贴在互相配合的另一个零件表面上形成密封圈等。3)压紧密封依靠外力或液力压紧密封件，使其产生过盈量贴紧于被密封表面实现密封。(4)间隙密封通过严格控制两个相互配合零件的间隙防止漏油，实现密封。密封装置还可按使用方法不同

5、分为固定密封、往复运动密封和旋转运动密封；按密封件材料不同可分为橡胶、塑料、皮革和金属密封。0形橡胶密封圈以其成本低廉、结构简单以及安装和使用方便等优点，被广泛应用子汽车、动力机械及流体液鹾机械等领域。近年来，随着尖端科学技术的迅速发展和工业、交通运输等部门机械化、自动化水平的不断提高，对密封件的性能和质量要求也愈来愈高。普通0型橡胶密封圈已不能满足密封发展的需求，对其进行创新设计已经势在必行。利用大型通用有限元分析软件ANSYS对液压缸用0形橡胶密封圈进行建模和计算，分析O形密封圈最易受损和失效的关键部位，并结合液压活塞杆动态密封机理提出了优化设计模型。2有限元分析

6、模型由于橡胶密封件的设计涉及到固体力学、摩擦学、高分子材料学、以及制造工艺等多方面的理论知识，因此要对其进行精确研究在理论上存在许多困难。随着计算技术和计算机技术的普及和发展，有限元分析方法已逐步应用到密封件的设计当中。就密封结构中的三重非线性和为简化计算而进行的基本假设作简要介绍。2．1材料非线性橡胶材料在整体应变或局部应变较大时，其剪切模量和横向拉压模量可出现较明显的材料非线性。温热环境可使材料非线性更为显著，在材料性能与应变率相关时要考虑粘弹性，在分析材料性能与常温或高温下长期受载有关的问题时，需要考虑蠕变问题。国内外学者已提出了基于统计热力学的Neo-Hook

7、ean应变能函数、指数一双曲(exponen—tial—hyperbolic)法则以及基于连续体的表象学方法的Mooney-Rivlin、Klosenr-Segal模型和Ogden-Tschoegl模型。在ANSYS程序中，用Mooney—Rivlin模型来描述不可压缩橡胶类材料的超弹性特性，分为2个、5个和9个材料参数的模型。本文采用含2个材料参数的Mooney—Rivlin模型，其应变能函数为：或伸长率：其中称为Green不变量，分别为：若材料不可压缩，。其多项式形式的应变能函数是式中U是应变能；是弹性体积比；若材料不可压缩，；如果项数N=0而材