基于ADINA的组合式动密封泄漏量与摩擦力计算

　　弹性填充式组合式动密封因其结构简单、成本低廉、安装方便等优点而被广泛应用在电液伺服驱动元件中.随着电液伺服技术的发展,泄漏作为高精度电液伺服驱动元件的重要问题已经越来越受到人们的关注,密封元件的设计已成为高精度电液伺服驱动元件设计的重要组成部分.但至今大量电液伺服驱动元件中的组合式动密封依然沿用传统的按经验设计的方式来选择并估算其泄漏量,因此,对弹性填充式组合式动密封元件的泄漏量和摩擦力进行定量计算与分析,对高精度电液伺服技术的发展具有重要的意义.

　　国内外对组合式动密封均有研究,文献[1]中对包括组合动密封在内的各种不同类型密封的机理做了大量分析与总结,得到的经验公式至今对密封元件的设计具有指导意义;文献[2]中对往复式液压作动器中弹性密封的研究方法作了分析与总结;文献[3]中使用有限元软件对O型密封圈在不同工况下的接触应力进行了分析;文献[4]中使用有限元方法对组合式动密封在不同介质压力和结构尺寸情况下的接触应力进行了计算.但它们只限于对接触应力的大小进行分析计算,没能对密封性能的重要指标———泄漏量与摩擦力进行任何定量性的研究.文献[5]中应用逆解法求解基于弹性流体动力润滑的一维雷诺方程,对一般性的弹性体密封做了比较全面的研究,得出了不同温度、几何形状、压缩量和行速度下的泄漏量与摩擦力情况.但只是局限于对基本弹性密封元件的分析,其得到的矩形密封件接触应力解析解并不适用于较复杂的组合式动密封中.文献[6]中使用迭代法求解弹流润滑雷诺方程,分析了往复式唇型动密封的泄漏量与摩擦力大小,其中应用粗糙度函数将表面粗糙度考虑进来,具有很深远的意义.但使用迭代法求解始终面临着数值稳定性的问题,不适用于各种工况及复杂状态下的求解.文献[7]中使用有限元与雷诺方程数值求解相结合的方法计算液压缸活塞杆与缸壁之间的泄漏量,但只是利用压力梯度求得油膜厚度的近似解,并不是对真正意义上的油膜厚度分布求解.

　　文中旨在研究某型号仿真转台用高精度电液伺服马达的内泄漏状况.使用非线性有限元程序ADINA对马达叶片处组合动密封建模,并计算其不同介质压力和O型圈预压缩率下的接触应力分布.基于得出的压力分布函数应用逆解法求解一维雷诺方程,得到油膜分布函数,进一步计算出泄漏量与摩擦力的大小.在使用逆解法的过程中,采用George等[5]提出的3次多项式拟合入口区压力分布的解法,解决压力二阶导数函数拐点难以确定的问题.

　　1　力学模型

　　文中所计算的弹性组合动密封的基本结构如图1所示.通过调整O型圈的预压缩率来控制泄漏量与摩擦力的大小,同时O型圈也能起到对PTFE密封条磨损的自补偿作用.不难看出,对于文中所研究的由两个部件组成的组合式动密封件而言,很难通过几何关系,如文献[5]中介绍的那样使用广义虎克定律求得密封表面接触应力的解析解,且不同介质压力下的接触应力解析解更难获得.使用有限元方法可以得到较接近于真实状态的接触应力分布情况,可将两接部件间的接触关系、几何形状、摩擦系数以及橡胶材料等因素充分考虑进去,因此,文中采用非线性自增量有限元程序ADINA来求解PTFE密封条的密封压力.