張征凱,曾憲樞

(西安建筑科技大學(xué)機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

液壓元件的泄漏是液壓系統(tǒng)常見故障之一，也是影響液壓系統(tǒng)壽命的重要因素，液壓元件的許多故障都是由于往復(fù)密封失效所導(dǎo)致的泄漏產(chǎn)生.O形密封圈作為往復(fù)式動密封，因其密封性能良好，在液壓元件中廣泛應(yīng)用.在工作工程中O形密封圈由于接觸壓力產(chǎn)生的磨損導(dǎo)致密封壓力降低進(jìn)而產(chǎn)生泄漏，嚴(yán)重的泄漏會使液壓元件失效.由于O形圈材料屬性原因，除了工作壓力之外，溫度也會對滑閥壽命產(chǎn)生影響[1]，因此傳統(tǒng)壽命預(yù)測方法難以實現(xiàn)對溢流閥的壽命預(yù)測.除此之外，由于液壓元件屬于高可靠長壽命產(chǎn)品，壽命預(yù)測所需要的大量樣本難以通過全壽命試驗獲得，而退化試驗獲取可靠性信息預(yù)測產(chǎn)品壽命這種技術(shù)[2]，在機械工程領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用[3-5]，但仍不能滿足對不同工況下液壓元件壽命預(yù)測所需的大量樣本.

一些學(xué)者從不同的角度和方法分析了密封圈磨損過程：GREEN等[6]利用經(jīng)驗公式計算了考慮超彈性體的不同壓縮率靜密封的接觸壓力.杜曉瓊等[7]提出一類新的有限元分析模型對不同油壓和壓縮率下接觸壓力分布方法.楊春明等[8]分析了不同密封圈徑向間隙對最大接觸壓力和米斯應(yīng)力的影響.常凱[9]提出了一種考慮接觸壓力和摩擦熱對摩擦磨損影響的ANSYS仿真計算方法.胡琦[10]則通過試驗計算完成了10, 50, 90 ℃的O形圈Mooney-Rivlin常數(shù)確定.目前，O形密封圈磨損過程的研究以有限元分析為主，但存在著模型復(fù)雜，計算耗時和不易收斂等缺點[11]，并且由于溢流閥因密封磨損導(dǎo)致泄漏而產(chǎn)生的失效不僅與工作壓力有關(guān)，同時與溫度密切相關(guān)[12].

文中以O(shè)形密封圈為研究對象，通過試驗和仿真相結(jié)合，針對密封圈磨損過程，建立密封磨損導(dǎo)致泄漏失效的溢流閥壽命響應(yīng)面，可用于不同工況下溢流閥的壽命預(yù)測.

1 溢流閥O形圈失效判據(jù)及流程

溢流閥工作過程中，因密封圈持續(xù)磨損產(chǎn)生泄漏會導(dǎo)致溢流閥調(diào)定壓力降低，超調(diào)量升高等靜、動態(tài)性能變化，嚴(yán)重的泄漏會使溢流閥因無法滿足工作要求而失效.

O形密封圈在安裝過程中受到初始壓力發(fā)生壓縮變形，在工作過程中受到來自一側(cè)方向的油液工作壓力，該工作壓力使密封圈進(jìn)一步壓縮變形，并在需要密封的另一側(cè)產(chǎn)生接觸壓力，當(dāng)接觸壓力大于工作壓力時，密封圈密封功能完好，隨著密封圈的磨損，磨損體積的增大，會使接觸壓力逐漸減小，當(dāng)接觸壓力小于工作壓力時，密封圈密封失效.

密封圈的實際磨損是復(fù)雜的過程，通常是在受到油液壓力方向開始磨損，為了便于計算，文中引入當(dāng)量半徑的概念，假設(shè)密封圈在磨損過程中是一個均勻的磨損過程，該假設(shè)是建立在密封圈材料屬性即丁腈橡膠的基礎(chǔ)上，丁腈橡膠屬于超彈性材料，具有不可壓縮性，密封圈在初始安裝產(chǎn)生的機械壓力和油液壓力作用下發(fā)生變形嵌入密封槽中，不同部位的磨損均能自我補償.因此，在密封狀態(tài)下，密封圈的磨損可視為僅影響密封圈半徑的變化，如圖1所示.

圖1 密封圈的當(dāng)量半徑

為了研究密封圈的磨損過程，建立了O形圈及密封槽的ANSYS仿真模型，得到了選定標(biāo)準(zhǔn)工況下當(dāng)O形圈的接觸壓力p(n)小于工作壓力p(M)時，密封失效的密封圈當(dāng)量半徑(即壓縮量).同時在同一選定標(biāo)準(zhǔn)工況下在試驗臺對溢流閥進(jìn)行退化試驗，得到該工況下的溢流閥壽命，利用標(biāo)準(zhǔn)工況下的失效半徑和壽命信息通過Archard磨損模型的變形得到該元件的磨損率，最終使用磨損率及其他工況下的ANSYS仿真試驗反推出其他工況下的溢流閥壽命信息，研究流程如圖2所示.

圖2 研究流程圖

2 ANSYS模型建立與分析

以試驗臺溢流閥的O形密封圈為例建立有限元模型，取其軸對稱截面的一部分研究.建立模型時僅需選取與O形密封圈發(fā)生接觸的密封槽、溢流閥內(nèi)壁以及O形密封圈之間的接觸面，省略不影響分析和計算的部分其他材料.由于是二維模型，結(jié)構(gòu)簡單，直接采用自動劃分網(wǎng)格方法，其中O形圈變化較大采用較密的網(wǎng)格劃分，其他材料采用較少的網(wǎng)格數(shù).

模擬溢流閥活塞與內(nèi)壁相對運動方式對密封槽和溢流閥內(nèi)壁施加約束和載荷：① 密封槽上施加X軸方向的約束，約束為UX=0；② 密封槽上施加Y軸方向的位移約束，模擬O形圈受壓的過程；③ 溢流閥內(nèi)壁需施加全約束，ALLDOF=0.

為模擬工程實際情況，進(jìn)行兩步加載，即第一步加載位移載荷，第二步加載壓力載荷，即O形圈是先被機械擠壓變形后，再加載的液壓油工作壓力.

設(shè)置Mooney-Rivlin超彈性參數(shù)20 ℃時的材料屬性.計算橡膠圈截面半徑為2.65 mm，壓縮率15%，工作壓力為12 MPa條件下的模型網(wǎng)格與約束狀態(tài)，更改參數(shù)對模型進(jìn)行范米塞斯應(yīng)力分布和接觸壓力分布分析，結(jié)果見圖3，4.

圖3 不同工作壓力和壓縮率時的范米塞斯應(yīng)力分布

圖4 不同工作壓力和壓縮率時接觸壓力分布

同壓力下15%壓縮率時O形圈的范米塞斯應(yīng)力分布相比5%壓縮率時更加集中，并且位于中心的高應(yīng)力區(qū)域消失，等刻線的分布更加均勻，最大應(yīng)力區(qū)域均出現(xiàn)在O形圈的下部左右兩邊，最大應(yīng)力值略微提高.

同為5%壓縮率時，20 MPa工作壓力下O形圈的范米塞斯應(yīng)力分布相比12 MPa工作壓力下有明顯變化，不僅最大應(yīng)力值顯著提高，并且最大應(yīng)力區(qū)域明顯更靠近O形圈表面.

由圖3和4的分析結(jié)論可以看出，壓縮率和工作壓力的增加都會導(dǎo)致范米塞斯應(yīng)力的增加，進(jìn)而導(dǎo)致使用壽命降低，且隨著工作壓力增加其最大值區(qū)域更靠近O型圈的表面，使O形圈表面更易出現(xiàn)裂紋、拉傷，造成O形圈密封失效.

可見，對O形圈密封效果影響最大的是工作壓力，其次是壓縮率，在工作壓力不變的前提下，隨著壓縮率減小，密封壓力隨之減小，當(dāng)密封圈壓縮率即當(dāng)量半徑R取到某值時，接觸壓力小于工作壓力，則可認(rèn)為該點為失效點FP，該值為失效半徑R.

3 溢流閥壽命響應(yīng)面的建立

對某型溢流閥進(jìn)行退化試驗，所用試驗臺原理如圖5所示.

圖5 溢流閥退化試驗臺原理圖

試驗臺以永磁同步電動機驅(qū)動齒輪泵輸出油液，通過換向閥流入柱塞馬達(dá),由慣量盤提供負(fù)載，換向閥切換機能進(jìn)入溢流狀態(tài)時，由齒輪泵驅(qū)動的油液通過溢流閥溢流排入油箱，數(shù)據(jù)采集由霍爾電壓電流傳感器、流量計和壓力計采集.

設(shè)定溫度20 ℃，工作壓力12 MPa，通過控制計算機設(shè)定三位四通換向閥以5 s/次的頻率切換中位與右位機能，實現(xiàn)被試溢流閥的反復(fù)啟閉，模擬溢流閥工作狀態(tài)，直至采集得到性能退化參數(shù)超調(diào)率出現(xiàn)明顯退化趨勢，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到該型溢流閥失效點即超調(diào)率達(dá)到25%時，動作次數(shù)在5 000次左右，溢流閥劣化趨勢擬合如圖6所示.

圖6 溢流閥劣化趨勢擬合圖

ANSYS仿真得到失效點FP與試驗臺得到的劣化趨勢預(yù)測點FP應(yīng)為同一點.

Archard磨損模型[9]為

(1)

式中：ΔV為磨損體積；K為磨損因子；F(i)為法向載荷；H為材料硬度；L為失效點處密封圈運動副相對運動的總距離，可由與運行次數(shù)和溢流閥行程相關(guān)的參數(shù)求得.

兩邊同時除以接觸面積S經(jīng)變化以后,即

h(i)=Kfp(i)L，

(2)

式中：Kf為磨損率；h(i)為點FP處的磨損高度，由ΔV和接觸面積S可計算得到，ΔV可由密封圈的初始尺寸R和失效點的當(dāng)量半徑R計算得出；p(i)為密封壓力.

磨損因子雖然包含著除了載荷、滑動距離、材料表面硬度之外的所有影響磨損的因素[13]，但由于100 ℃以下O形圈的硬度變化可以忽視，且對O形圈磨損因子影響最大的溫度因素將在仿真模型中直接賦予，因此可以認(rèn)為磨損率Kf僅和材料的屬性有關(guān)，由式(2)的變形形式將溢流閥運行次數(shù)n通過L代入式(2)，可計算得出Kf，計算公式為

h(i)=Kfp(i)n，

(3)

式中：n為使用次數(shù)或使用壽命.

式(3)變形后為

(4)

根據(jù)Kf與經(jīng)ANSYS仿真計算出的當(dāng)前工況下密封失效時的當(dāng)量半徑R，可以計算任意工作壓力和溫度下的使用壽命.

O形圈磨損過程的溫度條件由O形圈Mooney-Rivlin彈性模型中參數(shù)C1，C2確定，可直接應(yīng)用于ANSYS仿真中設(shè)置該條件；O形圈磨損過程的工作壓力條件由ANSYS仿真直接以外力形式設(shè)置.

不同溫度下O形圈Mooney-Rivlin彈性模型中參數(shù)C1，C2的試驗標(biāo)定[10]見表1.

表1 不同溫度下的C1，C2值

由此可以模擬試驗臺O形圈在設(shè)置材料屬性為C1，C2時所代表的確切溫度下的磨損過程，首次仿真取試驗臺試驗實際溫度20℃時溢流閥所用O形圈的材料屬性C1=1.950 95，C2=0.487 125.溢流閥所用O形圈半徑為2.65 mm，經(jīng)計算，在當(dāng)量半徑為2.3 mm時為O形圈的最小值，即在當(dāng)前工作壓力12 MPa下，密封壓力已經(jīng)不滿足密封要求，密封壓力小于接觸壓力，極大可能產(chǎn)生泄漏，導(dǎo)致溢流閥失效.取點FP為5 000 次，由式(3)可求得磨損率Kf=1.432×10-4.

根據(jù)Kf計算不同的溫度不同的工作壓力條件下各自工況的O形圈最小當(dāng)量半徑，見表2.根據(jù)式(3)，由表2以及Kf值，可計算得到該溢流閥在不同工況下的壽命值，見表3.

表2 不同工況下最小的當(dāng)量半徑值

表3 不同工況下的使用壽命值

將表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面擬合，得到不同工況下壽命n分布情況如圖7所示.

圖7 壽命分布響應(yīng)面擬合

由溢流閥壽命響應(yīng)面可以看出，工作壓力的升高，會使使用壽命呈現(xiàn)降低趨勢，溫度的變化則會導(dǎo)致使用壽命變化呈兩極性，即在40～60 ℃為壽命最大，升溫或者降溫都會導(dǎo)致使用壽命的降低，與試驗結(jié)果及工程經(jīng)驗相符.

4 結(jié) 論

1) 獲得了不同工作環(huán)境溫度下溢流閥使用壽命響應(yīng)面，該響應(yīng)面顯示溢流閥工作環(huán)境溫度為40～60 ℃時使用壽命最大，降低和提高溫度均會導(dǎo)致使用壽命的減少，這與液壓系統(tǒng)最適宜工作溫度區(qū)間為40～50 ℃的工程經(jīng)驗相符.

2) 經(jīng)試驗結(jié)果與計算得出的磨損率Kf僅與材料屬性有關(guān)，代表某一確切產(chǎn)品確定工況下的屬性，建立的溢流閥壽命響應(yīng)面可用于該溢流閥產(chǎn)品在不同工作環(huán)境下的壽命預(yù)測和折算，可以相對準(zhǔn)確預(yù)測該溢流閥元件在不同工況下的壽命，為相同元件在不同工況下的維修、更換提供了相對工程經(jīng)驗更加準(zhǔn)確的理論支持，同時減少了試驗成本，并解決了對極端環(huán)境下溢流閥壽命預(yù)測樣本的采集問題，對其他相似元件具有極高擴展性.