气缸O型圈密封及摩擦特性的研究

发布时间：2017-09-12 17:19

  本文关键词：气缸O型圈密封及摩擦特性的研究

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【摘要】：O型密封圈是气缸常用的密封装置,其密封性能以及摩擦性能对气缸的稳定运动和精确控制起很大作用。O型密封圈的研究包括可靠性分析,密封圈结构参数的选择,接触应力的分布,润滑及摩擦特性等相关理论方面的研究。本文针对单侧受限的O型密封圈,对其应力场和温度场,脂润滑特性及摩擦特性等方面进行了数学建模和仿真分析。在ANSYS建立了FESCO气缸O型密封圈二维轴对称有限元分析模型,通过分析预压缩量和驱动腔气体压力对接触应力和Von mises应力的影响规律,得出在预压缩量大于10%、驱动腔气压低于0.5MPa时,O型圈可以实现可靠的静密封。当O型圈存在相对滑动时,在之前结构场的基础上,将热源归结为摩擦生热和机械滞后生热,并且进行温度场分析。考虑温度对接触应力的影响,利用结构-热-结构实现二次耦合,得出接触区温度有限的升高对O型圈接触应力的影响较小,影响O型圈动静密封性能的决定性因素是O型圈的预压缩量。建立了O型圈和缸筒在脂润滑条件下包括雷诺方程,膜厚方程,载荷平衡方程以及能量方程的数学模型,采用多重网格数值积分提高整个迭代的收敛性,通过C语言编程计算了润滑膜厚以及润滑脂的摩擦力随相对滑动速度,压缩率,气体压力之间的变化趋势。仿真结果表明,气体压力对膜厚影响较小,但是对接触应力影响较大。相对滑动速度对膜厚影响最大,对接触应力分布影响较小。接触中心区域的膜厚在1-2?m之间,可以实现完全润滑。建立O型密封圈和缸筒的滑动接触摩擦力模型,对橡胶材料的本构方程以及粗糙刚性表面进行简化,推导了O型圈橡胶在缸筒正弦表面和随机粗糙的分型表面滑动的迟滞摩擦力数学模型,在Matlab上搭建了仿真模型。相对滑动速度和气体压力增加都会导致迟滞摩擦力增加,滑动速度起主导作用。当滑动速度在0.1m/s至0.5m/s之间时,迟滞摩擦系数与相对速度的关系近似呈二次抛物线关系,所得到的变化规律对预测气缸摩擦力具有一定的工程价值。
【关键词】：O型密封圈 接触应力 橡胶摩擦 有限元
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH138.51
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题背景与意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-16
• 1.2.1 往复运动密封圈形式及密封效果影响因素分析10-12
• 1.2.2 橡胶滑动接触理论研究12-15
• 1.2.3 弹性体润滑理论的研究15-16
• 1.2.4 目前研究中存在的问题16
• 1.3 主要研究内容16-18
• 第2章 气缸O型密封圈与缸筒接触有限元分析18-39
• 2.1 O型密封圈有限元计算模型18-20
• 2.1.1 橡胶材料的几何模型18-19
• 2.1.2 材料模型19
• 2.1.3 有限元模型的建立19-20
• 2.2 无气体压力下不同预压缩率对密封特性的影响20-22
• 2.2.1 p=0，不同预压缩下接触应力分布20-22
• 2.2.2 p=0，不同预压缩下Von Mises应力分布22
• 2.3 O型密封圈在不同气体压力下的计算22-25
• 2.3.1 接触应力的分布规律23-24
• 2.3.2 Von mises应力的分布规律24-25
• 2.4 静密封有限元结果分析验证25-27
• 2.5 O型密封圈动密封特性仿真分析27-30
• 2.5.1 O型密封圈微动密封仿真分析28-29
• 2.5.2 O型密封圈往复运动仿真分析29-30
• 2.6 温度对气缸O型圈与缸筒接触应力的影响30-38
• 2.6.1 温度场分析理论基础30-31
• 2.6.2 O型密封圈温度场分析模型31-33
• 2.6.3 O型密封圈温度场计算结果分析33-37
• 2.6.4 O型密封圈热应力耦合分析37-38
• 2.7 本章小结38-39
• 第3章 气缸O型密封圈与缸筒润滑特性分析39-55
• 3.1 O型密封圈和缸筒数学模型的建立39-42
• 3.1.1 模型简化39-40
• 3.1.2 基本方程及边界条件40-42
• 3.2 数学模型的求解42-51
• 3.2.1 数学模型无量纲化42-44
• 3.2.2 数学模型离散化44-45
• 3.2.3 多重网格求解数学模型45-47
• 3.2.4 能量方程离散和数值求解47-51
• 3.3 仿真结果分析51-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第4章 气缸O型密封圈摩擦特性分析55-66
• 4.1 建模理论基础55-58
• 4.1.1 密封圈本构模型方程55-56
• 4.1.2 缸筒表面粗糙度简化56-58
• 4.2 O型密封圈在正弦表面滑动摩擦58-61
• 4.2.1 O型密封圈在正弦表面滑动摩擦力模型的建立58-60
• 4.2.2 O型密封圈在正弦表面滑动摩擦仿真分析60-61
• 4.3 O型密封圈在随机粗糙的缸筒表面滑动摩擦61-65
• 4.3.1 O型密封圈在随机粗糙表面滑动摩擦数学模型的建立61-64
• 4.3.2 O型密封圈在随机粗糙表面滑动摩擦仿真分析64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 结论66-67
• 参考文献67-71
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果71-73
• 致谢73

【参考文献】

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本文编号：838513