液压支架蕾形复合密封圈接触应力研究

发布时间：2020-11-15 14:21

　　 液压支架作为现代化的支护设备在煤矿开采中得到了迅速的推广与应用。在工况复杂的采煤工作面,液压支架的密封面临多种不利因素,存在泄漏可能。传动介质的泄漏不但对人体有危害,并且将导致液压支架无法为工作面提供有效支护,增大了开采工作的安全隐患。蕾形复合密封圈因其耐磨、密封性能好等优点,目前广泛应用于液压支架活塞杆密封中,对其密封性能进行系统研究具有重要的理论意义与工程实用价值。本文针对煤矿液压支架立柱蕾形复合密封圈密封产生接触应力进行理论分析与有限元模拟,并结合密封圈接触应力试验,得到了接触应力变化对密封性能的影响规律,提出了通过优化前、后导流角和副密封来减小泄漏量、提高密封性能的思路。完成的主要研究工作如下:(1)采用边界层理论对往复式液压密封的流体密封界面进行分析。对适用于解决密封间隙问题的雷诺方程进行推导,并给出了活塞杆外行程、内行程的流体膜高度,进而得到泄漏公式。根据推导,密封圈与密封界面产生的应力分布对往复式液压系统的密封具有重要影响,从接触应力的角度对系统的密封进行探讨具有重要意义。通过计算得出密封界面的研究范围为流体的边界层,流体的流动状态为层流。在确定了以上两个条件后,根据流动界面的粘性力和惯性力的平衡,使用N-S方程和雷诺方程对密封界面的流体进行了分析。根据分析推导了往复式液压动密封的接触应力公式,根据公式动密封的接触应力与密封系统的内部压力、流体粘度、活塞杆运动速度、密封间隙的长度、密封间隙高度平方有关。接触应力与密封间隙高度平方成反比,密封间隙的高度通常是微米级,所以动密封的接触应力往往要比液压系统的内部压力高很多,密封圈通常要承受很大的应力。同时分析了静密封的接触应力计算公式与往复式液压系统运行一个周期的泄漏量计算公式。根据泄漏公式,密封的泄漏与活塞杆的行程、活塞杆直径成正比,为了保持低的泄漏,需要密封圈产生接触应力,并且在密封接触表面的内侧具有高的压力梯度,在密封体外侧具有低的接触应力梯度。往复式液压系统有低的外行程速度或者大的压力梯度时,外行程泄漏量小;系统有高的内行程速度或者小的压力梯度时,密封圈有较好的泵回能力,活塞杆上的流体将会被泵回系统内部。(2)通过橡胶和聚氨酯的单轴拉伸和单轴压缩试验,分别获得两种材料不同N值对应的Mooney-Rivlin参数。经过参数评估和曲线拟合,选择结果最优的9参数模型(N=3)所获取的材料参数,进行后续有限元分析。根据应变势能函数推导获得Mooney-Rivlin参数的表达式。经过对比分析和根据工程实际,选择使用单轴拉伸和单轴压缩试验来代替弹性体的6种纯应变状态的试验,通过两种试验数据分析获得有限元分析需要的Mooney-Rivlin参数。单轴拉伸和单轴压缩试验获得了各五组试验数据,通过计算获得了橡胶和聚氨酯材料的Mooney-Rivlin参数。经过拟合,9参数拟合的结果最优,因此选用9参数进行有限元分析。(3)对径向压缩量为10%,载荷分别为0、5、10、15、20、31.5和60MP的蕾形复合密封圈进行有限元分析。随着载荷的增加,密封性能逐渐变差,载荷为60MP时,密封失效。提取接触应力分布,进一步研究蕾形复合密封圈在不同载荷下的密封性能。使用三维影像测量仪对密封圈进行了测量。通过材料试验获得的模型参数和测量获得的密封圈尺寸对密封圈进行有限元分析。在径向压缩量一定的情况,对密封圈进行了不同载荷的有限元分析,通过最大接触应力分析总结了密封性能的变化规律。描述了通过有限元法获得接触应力曲线的方法,并进一步获得了不同载荷下的有限元接触应力曲线。根据获得的接触应力曲线和泄漏公式中的压力梯度对泄漏的影响,总结密封圈在不同载荷下的密封变化规律。同时对有限元分析结果的准确性提出了质疑,需要通过试验的方法进行验证。(4)通过试验的方法获得了密封圈的接触应力曲线,结合流体理论分析接触应力变化对密封性能的影响,并与有限元分析数据进行对比。有限元分析与试验数据在密封性能趋势上评价一致,但两者获取的压力数值差异较大。设计并搭建了模拟密封圈工况的试验平台,介绍了使用感压胶片测量密封圈接触应力的方法和原理。为了验证感压胶片测量数据的可靠性,设计了感压胶片标定系统,对感压胶片进行了试验标定,标定结果证明感压胶片测量稳定可靠。对试验的操作流程进行了优化,提高了试验的效率,降低了操作强度。通过感压胶片测量了在模拟平台中密封圈的接触应力,分别获得了三种压力下的接触应力曲线。根据试验压力曲线和流体理论分析了压力曲线对密封性能的影响。将试验接触应力曲线和有限元接触应力曲线进行了对比,对比结果认为有限元分析获得的接触应力分布曲线可以从趋势上评价不同密封结构的性能,但获取的压力数值有极大的误差。(5)在压缩量和其他特征不变的前提下,分析了蕾形复合密封圈前、后导油角对泄漏量的影响规律:后导油角一定时,泄漏量随前导油角的增大而增加;前导油角一定时,泄漏量随后导油角的减小而减少。分析副密封对密封体的接触应力的影响,总结了选择和设计副密封的方法思路。通过与矩形密封体接触应力的对比,分析了蕾形复合密封圈的密封性能优良的原因,证明了使用接触应力进行密封性能评价的可行性。在压缩量和其他特征不变的前提下,通过对前、后导油角取不同的数值,对蕾形复合密封圈前、后导油角进行了分析;通过初始零载荷和20MPa载荷接触应力曲线变化,总结了不同导油角数值时接触应力的变化规律,提出了导油角的选择思路。通过初始载荷和20MPa载荷时,密封圈增加副密封后产生的接触应力曲线,对副密封对密封体的接触应力的影响进行了分析,总结了选择和设计副密封的方法思路。通过三种不同压缩量在初始载荷和20MPa载荷时的接触应力变化,分析了接触应力随着压缩量变化的规律。
【学位单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD355.4
【文章目录】：
摘要
abstract
1 引言
    1.1 课题背景
    1.2 问题提出
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 国外的研究文献
        1.3.2 国内的研究文献
        1.3.3 接触应力研究方法概述
    1.4 研究目标、内容及意义
        1.4.1 课题研究目标
        1.4.2 课题研究内容
        1.4.3 研究方案
        1.4.4 技术路线
        1.4.5 研究意义
    1.5 小结
2 密封界面的流体动力学及自密封原理
    2.1 边界层及流体状态的研究
        2.1.1 边界层的确定
        2.1.2 流动状态的确定
    2.2 往复式液压动密封接触应力公式的推导
        2.2.1 雷诺方程的推导
        2.2.2 动密封接触应力公式的推导
    2.3 流体静密封接触应力公式推导
    2.4 液压往复式密封泄漏公式推导
        2.4.1 活塞杆外行程
        2.4.2 活塞杆内行程
        2.4.3 泄漏公式
    2.5 小结
3 蕾形复合密封圈材料试验
    3.1 橡胶类超弹性理论概述
    3.2 超弹性体试验研究
        3.2.1 单轴拉伸试验
        3.2.2 单轴压缩试验
        3.2.3 M-R常数的确定
    3.3 小结
4 蕾形复合密封圈有限元分析
    4.1 有限元有关理论
        4.1.1 有限元原理
        4.1.2 有限元非线性
        4.1.3 材料特性
    4.2 蕾形复合密封圈几何尺寸的测量
    4.3 蕾形复合密封圈的有限元分析
        4.3.1 蕾形复合密封圈建模及分析步骤
        4.3.2 蕾形复合密封圈多载荷有限元分析
        4.3.3 蕾形复合密封圈多载荷接触应力有限元分析
    4.4 弹性体有限元分析的收敛问题
    4.5 小结
5 蕾形复合密封圈接触应力试验
    5.1 接触应力测试试验系统
    5.2 感压压力测量系统
    5.3 感压压力测量的标定
        5.3.1 分析设备标定的原理
        5.3.2 标定试验步骤
        5.3.3 试验数据处理及误差分析
    5.4 接触应力试验操作方法的改进
    5.5 试验数据的采集与分析
        5.5.1 试验数据的采集
        5.5.2 试验数据的分析
        5.5.3 不同压力数据分析
        5.5.4 有限元接触应力分布曲线与试验获取曲线对比
    5.6 小结
6 基于接触应力的蕾形复合密封圈分析
    6.1 常规密封结构与蕾形复合密封圈接触应力的对比
    6.2 蕾形复合密封圈前、后导油角的分析
        6.2.1 前导油角α对接触应力的影响分析
        6.2.2 后导油角β对接触应力的影响分析
    6.3 蕾形复合密封圈副密封对接触应力的影响分析
    6.4 蕾形复合密封圈径向压缩量对接触应力的影响分析
    6.5 小结
7 结论与展望
    7.1 主要研究工作
    7.2 论文创新点
    7.3 展望
参考文献
致谢
作者简介

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本文编号：2884852