Y型气动密封圈的可靠性建模与实验研究

发布时间：2017-03-24 05:09

  本文关键词：Y型气动密封圈的可靠性建模与实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：Y型密封圈(以下简称Y型圈)因为其结构简单、可靠性高而广泛应用。作为设备中关键技术,密封的可靠性直接影响整个设备的安全性和工作稳定性。一般对气动密封圈的要求包括对介质的密封能力、具有尽量低的摩擦力、具有更长的寿命。因此对密封圈的研究涵盖某一时刻密封圈的密封性能和性能随着时间的演化规律。本文通过有限元分析和台架实验研究相结合,对Y型圈不同工况下的密封性能、密封圈可靠性以及密封性能随着老化时间的演化规律进行较全面的研究。首先,作为虚拟验证,本文提出了基于有限元的Y型圈尺寸波动下的可靠度计算方法。作为基础工作,先建立了Y型圈的稳态有限元计算模型,初步计算出了密封圈不同方向、不同压力下的变形、应力分布、接触压力分布、摩擦力大小。然后在此基础上,提出了利用Ansys PDS模块,以最大接触压力和最大剪切应力判据作为判断准则的可靠度计算方法。同时,通过分析密封特点,选出几个重要优化指标并制定优化目标,在PDS模块通过编程提取密封圈最大剪切应力、最大接触压力、摩擦力、最大压力梯度、接触长度等作为优化指标,分别算出每一个指标对每一个尺寸变化的灵敏度大小,根据灵敏度分析结果,对密封圈结构进行优化。通过仿真验证,每一个指标都得到12~23%的提高。进一步,介绍一种自行设计的能分别测量密封圈两个方向摩擦力的往复密封实验台、它有以下几方面作用:对有限元模型进行实验验证、为密封圈的密封性能可靠性进行台架实验验证、台架实验本身作为一种研究手段,研究密封圈在不同工况下的密封性能。本文给出Y型圈在不同压力、方向、速度、环境温度下的摩擦力测量结果并进行了分析;通过不同压力下的实验数据和有限元结果进行对比,证明有限元分析结果和此基础上提出的可靠性和灵敏度分析方法的合理性和正确性。最后,寿命预测作为可靠性研究的重要部分,本文通过实验手段、针对老化对密封圈的影响,以密封圈唇口开口宽度大小、材料硬度、摩擦力的变化作为研究对象,研究这三个指标随着老化时间的变化规律,并在前人提出的寿命预测模型基础上,分别拟合出这三个参数在不同温度和老化时间的寿命预测模型。研究表明尺寸的变化很好的符合前人提出的寿命预测模型,但硬度变化和摩擦力的变化和前人提出的模型并不完全相符,存在有待改进的空间,不过仍然有一定的实际意义。
【关键词】：Y型圈 可靠性 实验研究 老化 结构优化
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH136
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 课题背景11-15
• 1.1.1 课题来源11-12
• 1.1.2 气动密封的特点12-14
• 1.1.3 密封可靠性体系14-15
• 1.2 国内外相关研究现状15-20
• 1.2.1 密封可靠性及优化方法研究15-16
• 1.2.2 气动密封性能研究16-18
• 1.2.3 密封寿命预测研究18-20
• 1.2.4 研究现状总结及课题意义20
• 1.3 课题目标与内容20-23
• 1.3.1 课题技术路线20-21
• 1.3.2 主要内容21-23
• 第2章 Y型圈有限元模型的建立与密封性能仿真23-36
• 2.1 材料模型的确定23-25
• 2.1.1 材料基本假设23
• 2.1.2 超弹性本构模型23-24
• 2.1.3 单轴拉伸 -压缩实验24-25
• 2.2 Y型圈几何模型的建立25-27
• 2.2.1 密封圈和沟槽尺寸25-26
• 2.2.2 基本假设26-27
• 2.2.3 有限元几何模型27
• 2.3 边界条件27-29
• 2.3.1 定义接触27-28
• 2.3.2 载荷28-29
• 2.4 仿真结果和分析29-35
• 2.4.1 滑动方向对密封性能的影响29-32
• 2.4.2 介质压力对密封性能的影响32-35
• 2.5 小结35-36
• 第3章 基于Ansys PDS的密封圈可靠性和灵敏度分析及优化36-56
• 3.1 可靠度相关概念介绍36-38
• 3.1.1 结构可靠性36-37
• 3.1.2 响应面法可靠度分析37-38
• 3.1.3 灵敏度38
• 3.2 可靠性判断准则的研究38-39
• 3.3 密封圈可靠度计算39-45
• 3.3.1 密封圈参数化模型的建立39-40
• 3.3.2 响应量的定义40-41
• 3.3.3 定义随机输入量41
• 3.3.4 拟合响应面41-42
• 3.3.5 可靠度计算结果42-45
• 3.4 密封圈的灵敏度分析及优化45-55
• 3.4.1 优化目标45-48
• 3.4.2 密封性能灵敏度分析48-54
• 3.4.3 优化结果及验证54-55
• 3.5 小结55-56
• 第4章 往复密封实验台的设计与搭建56-68
• 4.1 气动密封实验背景56-59
• 4.1.1 实验研究的意义56-57
• 4.1.2 国内外往复密封相关实验台57-59
• 4.2 往复密封基础实验台的设计与搭建59-67
• 4.2.1 实验台要求59
• 4.2.2 实验台主要布局和参数59-62
• 4.2.3 气缸内部结构以及摩擦力测量原理62-64
• 4.2.4 其他关键部分64-65
• 4.2.5 实验台实物图65-67
• 4.3 小结67-68
• 第5章 不同工况对Y型圈摩擦力的实验研究68-81
• 5.1 实验准备68-70
• 5.1.1 实验对象68-69
• 5.1.2 测量方法69-70
• 5.2 实验结果以及分析70-78
• 5.2.1 速度对摩擦力的影响70-72
• 5.2.2 压力对摩擦力的影响72-73
• 5.2.3 运动方向对摩擦力的影响73-74
• 5.2.4 温度对摩擦力的影响74-76
• 5.2.5 材料对摩擦力的影响76-78
• 5.3 实验与有限元结果的对比研究78-80
• 5.3.1 有限元模型的验证78-79
• 5.3.2 有限元计算摩擦系数79-80
• 5.4 结论80-81
• 第6章 老化对密封圈性能的影响及寿命预测研究81-96
• 6.1 使用的老化模型81-82
• 6.2 实验准备和实验方案82-85
• 6.2.1 恒温老化箱82
• 6.2.2 硬度测量仪82-83
• 6.2.3 老化时密封圈安装装置83-84
• 6.2.4 老化对象84
• 6.2.5 老化温度和时间84-85
• 6.3 老化对密封圈材料弹性模量的影响85-89
• 6.3.1 实验方案85-86
• 6.3.2 实验结果86-87
• 6.3.3 硬度预测模型87-89
• 6.4 老化对密封圈尺寸的影响89-92
• 6.4.1 实验方案89
• 6.4.2 实验结果89-91
• 6.4.3 尺寸预测模型91-92
• 6.5 老化对密封圈摩擦力的影响92-94
• 6.5.1 实验方案92
• 6.5.2 实验结果92-93
• 6.5.3 摩擦力预测模型93-94
• 6.6 小结94-96
• 第7章 总结与展望96-99
• 7.1 研究工作总结96-97
• 7.2 下一步工作展望97-99
• 参考文献99-103
• 致谢103-105
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果105

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