液壓支架作為現代化的支護設備在煤礦開采中得到了迅速的推廣與應用。在工況復雜的采煤工作面,液壓支架的密封面臨多種不利因素,存在泄漏可能。傳動介質的泄漏不但對人體有危害,并且將導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。蕾形復合密封圈因其耐磨、密封性能好等優(yōu)點,目前廣泛應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合密封圈密封產生接觸應力進行理論分析與有限元模擬,并結合密封圈接觸應力試驗,得到了接觸應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,并給出了活塞桿外行程、內行程的流體膜高度,進而得到泄漏公式。根據推導,密封圈與密封界面產生的應力分布對往復式液壓系統(tǒng)的密封具有重要影響,從接觸應力的角度對系統(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。根據分析推導了往復式液壓動密封的接觸應力公式,根據公式動密封的接觸應力與密封系統(tǒng)的內部壓力、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。接觸應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力往往要比液壓系統(tǒng)的內部壓力高很多,密封圈通常要承受很大的應力。同時分析了靜密封的接觸應力計算公式與往復式液壓系統(tǒng)運行一個周期的泄漏量計算公式。根據泄漏公式,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,需要密封圈產生接觸應力,并且在密封接觸表面的內側具有高的壓力梯度,在密封體外側具有低的接觸應力梯度。往復式液壓系統(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值對應的Mooney-Rivlin參數。經過參數評估和曲線擬合,選擇結果最優(yōu)的9參數模型(N=3)所獲取的材料參數,進行后續(xù)有限元分析。根據應變勢能函數推導獲得Mooney-Rivlin參數的表達式。經過對比分析和根據工程實際,選擇使用單軸拉伸和單軸壓縮試驗來代替彈性體的6種純應變狀態(tài)的試驗,通過兩種試驗數據分析獲得有限元分析需要的Mooney-Rivlin參數。單軸拉伸和單軸壓縮試驗獲得了各五組試驗數據,通過計算獲得了橡膠和聚氨酯材料的Mooney-Rivlin參數。經過擬合,9參數擬合的結果最優(yōu),因此選用9參數進行有限元分析。(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。提取接觸應力分布,進一步研究蕾形復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,通過最大接觸應力分析總結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力曲線。根據獲得的接觸應力曲線和泄漏公式中的壓力梯度對泄漏的影響,總結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果的準確性提出了質疑,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力曲線,結合流體理論分析接觸應力變化對密封性能的影響,并與有限元分析數據進行對比。有限元分析與試驗數據在密封性能趨勢上評價一致,但兩者獲取的壓力數值差異較大。設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力的方法和原理。為了驗證感壓膠片測量數據的可靠性,設計了感壓膠片標定系統(tǒng),對感壓膠片進行了試驗標定,標定結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力,分別獲得了三種壓力下的接觸應力曲線。根據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。將試驗接觸應力曲線和有限元接觸應力曲線進行了對比,對比結果認為有限元分析獲得的接觸應力分布曲線可以從趨勢上評價不同密封結構的性能,但獲取的壓力數值有極大的誤差。(5)在壓縮量和其他特征不變的前提下,分析了蕾形復合密封圈前、后導油角對泄漏量的影響規(guī)律:后導油角一定時,泄漏量隨前導油角的增大而增加;前導油角一定時,泄漏量隨后導油角的減小而減少。分析副密封對密封體的接觸應力的影響,總結了選擇和設計副密封的方法思路。通過與矩形密封體接觸應力的對比,分析了蕾形復合密封圈的密封性能優(yōu)良的原因,證明了使用接觸應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、后導油角取不同的數值,對蕾形復合密封圈前、后導油角進行了分析;通過初始零載荷和20MPa載荷接觸應力曲線變化,總結了不同導油角數值時接觸應力的變化規(guī)律,提出了導油角的選擇思路。通過初始載荷和20MPa載荷時,密封圈增加副密封后產生的接觸應力曲線,對副密封對密封體的接觸應力的影響進行了分析,總結了選擇和設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載荷時的接觸應力變化,分析了接觸應力隨著壓縮量變化的規(guī)律。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位年份】：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 國內外研究現狀
        1.3.1 國外的研究文獻
        1.3.2 國內的研究文獻
        1.3.3 接觸應力研究方法概述
    1.4 研究目標、內容及意義
        1.4.1 課題研究目標
        1.4.2 課題研究內容
        1.4.3 研究方案
        1.4.4 技術路線
        1.4.5 研究意義
    1.5 小結
2 密封界面的流體動力學及自密封原理
    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 往復式液壓動密封接觸應力公式的推導
        2.2.1 雷諾方程的推導
        2.2.2 動密封接觸應力公式的推導
    2.3 流體靜密封接觸應力公式推導
    2.4 液壓往復式密封泄漏公式推導
        2.4.1 活塞桿外行程
        2.4.2 活塞桿內行程
        2.4.3 泄漏公式
    2.5 小結
3 蕾形復合密封圈材料試驗
    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常數的確定
    3.3 小結
4 蕾形復合密封圈有限元分析
    4.1 有限元有關理論
        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 蕾形復合密封圈幾何尺寸的測量
    4.3 蕾形復合密封圈的有限元分析
        4.3.1 蕾形復合密封圈建模及分析步驟
        4.3.2 蕾形復合密封圈多載荷有限元分析
        4.3.3 蕾形復合密封圈多載荷接觸應力有限元分析
    4.4 彈性體有限元分析的收斂問題
    4.5 小結
5 蕾形復合密封圈接觸應力試驗
    5.1 接觸應力測試試驗系統(tǒng)
    5.2 感壓壓力測量系統(tǒng)
    5.3 感壓壓力測量的標定
        5.3.1 分析設備標定的原理
        5.3.2 標定試驗步驟
        5.3.3 試驗數據處理及誤差分析
    5.4 接觸應力試驗操作方法的改進
    5.5 試驗數據的采集與分析
        5.5.1 試驗數據的采集
        5.5.2 試驗數據的分析
        5.5.3 不同壓力數據分析
        5.5.4 有限元接觸應力分布曲線與試驗獲取曲線對比
    5.6 小結
6 基于接觸應力的蕾形復合密封圈分析
    6.1 常規(guī)密封結構與蕾形復合密封圈接觸應力的對比
    6.2 蕾形復合密封圈前、后導油角的分析
        6.2.1 前導油角α對接觸應力的影響分析
        6.2.2 后導油角β對接觸應力的影響分析
    6.3 蕾形復合密封圈副密封對接觸應力的影響分析
    6.4 蕾形復合密封圈徑向壓縮量對接觸應力的影響分析
    6.5 小結
7 結論與展望
    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

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