液壓支架作為現(xiàn)代化的支護設(shè)備在煤礦開采中得到了迅速的推廣與應(yīng)用。在工況復(fù)雜的采煤工作面,液壓支架的密封面臨多種不利因素,存在泄漏可能。傳動介質(zhì)的泄漏不但對人體有危害,并且將導(dǎo)致液壓支架無法為工作面提供有效支護,增大了開采工作的安全隱患。蕾形復(fù)合密封圈因其耐磨、密封性能好等優(yōu)點,目前廣泛應(yīng)用于液壓支架活塞桿密封中,對其密封性能進行系統(tǒng)研究具有重要的理論意義與工程實用價值。本文針對煤礦液壓支架立柱蕾形復(fù)合密封圈密封產(chǎn)生接觸應(yīng)力進行理論分析與有限元模擬,并結(jié)合密封圈接觸應(yīng)力試驗,得到了接觸應(yīng)力變化對密封性能的影響規(guī)律,提出了通過優(yōu)化前、后導(dǎo)流角和副密封來減小泄漏量、提高密封性能的思路。完成的主要研究工作如下:(1)采用邊界層理論對往復(fù)式液壓密封的流體密封界面進行分析。對適用于解決密封間隙問題的雷諾方程進行推導(dǎo),并給出了活塞桿外行程、內(nèi)行程的流體膜高度,進而得到泄漏公式。根據(jù)推導(dǎo),密封圈與密封界面產(chǎn)生的應(yīng)力分布對往復(fù)式液壓系統(tǒng)的密封具有重要影響,從接觸應(yīng)力的角度對系統(tǒng)的密封進行探討具有重要意義。通過計算得出密封界面的研究范圍為流體的邊界層,流體的流動狀態(tài)為層流。在確定了以上兩個條件后,根據(jù)流動界面的粘性力和慣性力的平衡,使用N-S方程和雷諾方程對密封界面的流體進行了分析。根據(jù)分析推導(dǎo)了往復(fù)式液壓動密封的接觸應(yīng)力公式,根據(jù)公式動密封的接觸應(yīng)力與密封系統(tǒng)的內(nèi)部壓力、流體粘度、活塞桿運動速度、密封間隙的長度、密封間隙高度平方有關(guān)。接觸應(yīng)力與密封間隙高度平方成反比,密封間隙的高度通常是微米級,所以動密封的接觸應(yīng)力往往要比液壓系統(tǒng)的內(nèi)部壓力高很多,密封圈通常要承受很大的應(yīng)力。同時分析了靜密封的接觸應(yīng)力計算公式與往復(fù)式液壓系統(tǒng)運行一個周期的泄漏量計算公式。根據(jù)泄漏公式,密封的泄漏與活塞桿的行程、活塞桿直徑成正比,為了保持低的泄漏,需要密封圈產(chǎn)生接觸應(yīng)力,并且在密封接觸表面的內(nèi)側(cè)具有高的壓力梯度,在密封體外側(cè)具有低的接觸應(yīng)力梯度。往復(fù)式液壓系統(tǒng)有低的外行程速度或者大的壓力梯度時,外行程泄漏量小;系統(tǒng)有高的內(nèi)行程速度或者小的壓力梯度時,密封圈有較好的泵回能力,活塞桿上的流體將會被泵回系統(tǒng)內(nèi)部。(2)通過橡膠和聚氨酯的單軸拉伸和單軸壓縮試驗,分別獲得兩種材料不同N值對應(yīng)的Mooney-Rivlin參數(shù)。經(jīng)過參數(shù)評估和曲線擬合,選擇結(jié)果最優(yōu)的9參數(shù)模型(N=3)所獲取的材料參數(shù),進行后續(xù)有限元分析。根據(jù)應(yīng)變勢能函數(shù)推導(dǎo)獲得Mooney-Rivlin參數(shù)的表達式。經(jīng)過對比分析和根據(jù)工程實際,選擇使用單軸拉伸和單軸壓縮試驗來代替彈性體的6種純應(yīng)變狀態(tài)的試驗,通過兩種試驗數(shù)據(jù)分析獲得有限元分析需要的Mooney-Rivlin參數(shù)。單軸拉伸和單軸壓縮試驗獲得了各五組試驗數(shù)據(jù),通過計算獲得了橡膠和聚氨酯材料的Mooney-Rivlin參數(shù)。經(jīng)過擬合,9參數(shù)擬合的結(jié)果最優(yōu),因此選用9參數(shù)進行有限元分析。(3)對徑向壓縮量為10%,載荷分別為0、5、10、15、20、31.5和60MP的蕾形復(fù)合密封圈進行有限元分析。隨著載荷的增加,密封性能逐漸變差,載荷為60MP時,密封失效。提取接觸應(yīng)力分布,進一步研究蕾形復(fù)合密封圈在不同載荷下的密封性能。使用三維影像測量儀對密封圈進行了測量。通過材料試驗獲得的模型參數(shù)和測量獲得的密封圈尺寸對密封圈進行有限元分析。在徑向壓縮量一定的情況,對密封圈進行了不同載荷的有限元分析,通過最大接觸應(yīng)力分析總結(jié)了密封性能的變化規(guī)律。描述了通過有限元法獲得接觸應(yīng)力曲線的方法,并進一步獲得了不同載荷下的有限元接觸應(yīng)力曲線。根據(jù)獲得的接觸應(yīng)力曲線和泄漏公式中的壓力梯度對泄漏的影響,總結(jié)密封圈在不同載荷下的密封變化規(guī)律。同時對有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性提出了質(zhì)疑,需要通過試驗的方法進行驗證。(4)通過試驗的方法獲得了密封圈的接觸應(yīng)力曲線,結(jié)合流體理論分析接觸應(yīng)力變化對密封性能的影響,并與有限元分析數(shù)據(jù)進行對比。有限元分析與試驗數(shù)據(jù)在密封性能趨勢上評價一致,但兩者獲取的壓力數(shù)值差異較大。設(shè)計并搭建了模擬密封圈工況的試驗平臺,介紹了使用感壓膠片測量密封圈接觸應(yīng)力的方法和原理。為了驗證感壓膠片測量數(shù)據(jù)的可靠性,設(shè)計了感壓膠片標(biāo)定系統(tǒng),對感壓膠片進行了試驗標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果證明感壓膠片測量穩(wěn)定可靠。對試驗的操作流程進行了優(yōu)化,提高了試驗的效率,降低了操作強度。通過感壓膠片測量了在模擬平臺中密封圈的接觸應(yīng)力,分別獲得了三種壓力下的接觸應(yīng)力曲線。根據(jù)試驗壓力曲線和流體理論分析了壓力曲線對密封性能的影響。將試驗接觸應(yīng)力曲線和有限元接觸應(yīng)力曲線進行了對比,對比結(jié)果認(rèn)為有限元分析獲得的接觸應(yīng)力分布曲線可以從趨勢上評價不同密封結(jié)構(gòu)的性能,但獲取的壓力數(shù)值有極大的誤差。(5)在壓縮量和其他特征不變的前提下,分析了蕾形復(fù)合密封圈前、后導(dǎo)油角對泄漏量的影響規(guī)律:后導(dǎo)油角一定時,泄漏量隨前導(dǎo)油角的增大而增加;前導(dǎo)油角一定時,泄漏量隨后導(dǎo)油角的減小而減少。分析副密封對密封體的接觸應(yīng)力的影響,總結(jié)了選擇和設(shè)計副密封的方法思路。通過與矩形密封體接觸應(yīng)力的對比,分析了蕾形復(fù)合密封圈的密封性能優(yōu)良的原因,證明了使用接觸應(yīng)力進行密封性能評價的可行性。在壓縮量和其他特征不變的前提下,通過對前、后導(dǎo)油角取不同的數(shù)值,對蕾形復(fù)合密封圈前、后導(dǎo)油角進行了分析;通過初始零載荷和20MPa載荷接觸應(yīng)力曲線變化,總結(jié)了不同導(dǎo)油角數(shù)值時接觸應(yīng)力的變化規(guī)律,提出了導(dǎo)油角的選擇思路。通過初始載荷和20MPa載荷時,密封圈增加副密封后產(chǎn)生的接觸應(yīng)力曲線,對副密封對密封體的接觸應(yīng)力的影響進行了分析,總結(jié)了選擇和設(shè)計副密封的方法思路。通過三種不同壓縮量在初始載荷和20MPa載荷時的接觸應(yīng)力變化,分析了接觸應(yīng)力隨著壓縮量變化的規(guī)律。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD355.4
【文章目錄】：
摘要
abstract
1 引言
    1.1 課題背景
    1.2 問題提出
    1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
        1.3.1 國外的研究文獻
        1.3.2 國內(nèi)的研究文獻
        1.3.3 接觸應(yīng)力研究方法概述
    1.4 研究目標(biāo)、內(nèi)容及意義
        1.4.1 課題研究目標(biāo)
        1.4.2 課題研究內(nèi)容
        1.4.3 研究方案
        1.4.4 技術(shù)路線
        1.4.5 研究意義
    1.5 小結(jié)
2 密封界面的流體動力學(xué)及自密封原理
    2.1 邊界層及流體狀態(tài)的研究
        2.1.1 邊界層的確定
        2.1.2 流動狀態(tài)的確定
    2.2 往復(fù)式液壓動密封接觸應(yīng)力公式的推導(dǎo)
        2.2.1 雷諾方程的推導(dǎo)
        2.2.2 動密封接觸應(yīng)力公式的推導(dǎo)
    2.3 流體靜密封接觸應(yīng)力公式推導(dǎo)
    2.4 液壓往復(fù)式密封泄漏公式推導(dǎo)
        2.4.1 活塞桿外行程
        2.4.2 活塞桿內(nèi)行程
        2.4.3 泄漏公式
    2.5 小結(jié)
3 蕾形復(fù)合密封圈材料試驗
    3.1 橡膠類超彈性理論概述
    3.2 超彈性體試驗研究
        3.2.1 單軸拉伸試驗
        3.2.2 單軸壓縮試驗
        3.2.3 M-R常數(shù)的確定
    3.3 小結(jié)
4 蕾形復(fù)合密封圈有限元分析
    4.1 有限元有關(guān)理論
        4.1.1 有限元原理
        4.1.2 有限元非線性
        4.1.3 材料特性
    4.2 蕾形復(fù)合密封圈幾何尺寸的測量
    4.3 蕾形復(fù)合密封圈的有限元分析
        4.3.1 蕾形復(fù)合密封圈建模及分析步驟
        4.3.2 蕾形復(fù)合密封圈多載荷有限元分析
        4.3.3 蕾形復(fù)合密封圈多載荷接觸應(yīng)力有限元分析
    4.4 彈性體有限元分析的收斂問題
    4.5 小結(jié)
5 蕾形復(fù)合密封圈接觸應(yīng)力試驗
    5.1 接觸應(yīng)力測試試驗系統(tǒng)
    5.2 感壓壓力測量系統(tǒng)
    5.3 感壓壓力測量的標(biāo)定
        5.3.1 分析設(shè)備標(biāo)定的原理
        5.3.2 標(biāo)定試驗步驟
        5.3.3 試驗數(shù)據(jù)處理及誤差分析
    5.4 接觸應(yīng)力試驗操作方法的改進
    5.5 試驗數(shù)據(jù)的采集與分析
        5.5.1 試驗數(shù)據(jù)的采集
        5.5.2 試驗數(shù)據(jù)的分析
        5.5.3 不同壓力數(shù)據(jù)分析
        5.5.4 有限元接觸應(yīng)力分布曲線與試驗獲取曲線對比
    5.6 小結(jié)
6 基于接觸應(yīng)力的蕾形復(fù)合密封圈分析
    6.1 常規(guī)密封結(jié)構(gòu)與蕾形復(fù)合密封圈接觸應(yīng)力的對比
    6.2 蕾形復(fù)合密封圈前、后導(dǎo)油角的分析
        6.2.1 前導(dǎo)油角α對接觸應(yīng)力的影響分析
        6.2.2 后導(dǎo)油角β對接觸應(yīng)力的影響分析
    6.3 蕾形復(fù)合密封圈副密封對接觸應(yīng)力的影響分析
    6.4 蕾形復(fù)合密封圈徑向壓縮量對接觸應(yīng)力的影響分析
    6.5 小結(jié)
7 結(jié)論與展望
    7.1 主要研究工作
    7.2 論文創(chuàng)新點
    7.3 展望
參考文獻
致謝
作者簡介

【相似文獻】

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本文編號：2884852