液壓支架密封件失效原因的分析與改進(jìn)

原云飛，陳建平

（晉城金焰機(jī)電有限責(zé)任公司，山西 晉城 048021）

引言

液壓支架作為煤炭綜采工作面的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備[1]，其工作的安全性和可靠性直接關(guān)系著井下礦工的安全及煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)注[2-3]。密封件作為煤炭液壓支架的重要組成部分，如活塞密封、活塞桿密封、靜密封等，其性能好壞決定著液壓支架能否輸出足夠的支撐力與穩(wěn)定保壓，滿足煤炭綜采工作面的支護(hù)要求[4]。市面上液壓支架密封件多種多樣，但性能相差巨大，進(jìn)口密封圈的技術(shù)和使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國產(chǎn)，有必要進(jìn)行深入的研究工作以便提高我國密封件制造技術(shù)水平[5-6]。

1 密封件失效問題

液壓支架密封件雖然體積不大、價(jià)錢較為便宜，但被廣泛應(yīng)用于液壓支架的立柱、平衡千斤頂、推移千斤頂?shù)纫簤航Y(jié)構(gòu)件中，除了起到密封保壓之外還要配合活塞桿的升降動(dòng)作，是液壓支架實(shí)現(xiàn)功能動(dòng)作的基礎(chǔ)，也是造成泄漏問題的主要原因。某煤炭企業(yè)液壓支架立柱額定工作壓力約為31.5 MPa，介質(zhì)為乳化液，工作溫度范圍為-20~80℃，要求加載之后壓力腔鎖閉，檢測壓力腔初始1 min內(nèi)的壓降不能超過10%，但是在實(shí)際工程應(yīng)用過程中立柱出現(xiàn)了泄漏、壓降較大，最大壓降達(dá)到了18%，保壓效果較差的問題，嚴(yán)重影響了液壓支架的使用性能，給綜采工作面內(nèi)部人員和設(shè)備的安全造成了極大的威脅。

2 密封件失效原因的分析

出現(xiàn)液壓支架立柱泄漏、保壓效果差的問題之后組織相關(guān)專業(yè)人士對其進(jìn)行了分析，找出問題原因。立柱液壓缸觀察結(jié)果顯示，液壓支架立柱液壓缸表面存在明顯的乳化液泄漏情況，由此可以推斷保壓較差原因不是活塞密封失效引起的。之后將立柱液壓缸拆卸，得到活塞桿密封件，為Y形圈+O形彈性體+擋圈的組合結(jié)構(gòu)，應(yīng)用溝槽斷面尺寸為12.5 mm×20 mm，O形彈性體線徑為Φ3.5 mm，相關(guān)研究表明，Y形圈與O形彈性體的搭配比例對于密封性能影響作用明顯，一旦搭配比例不當(dāng)就會(huì)導(dǎo)致密封位置泄漏，使液壓缸內(nèi)的壓力降低，保壓效果大大降低，故而出現(xiàn)了立柱保壓效果差的問題。為了確定液壓支架密封件失效的原因，借助ABAQUS有限元仿真分析軟件，對立柱密封件工作狀態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算。

2.1 有限元模型的建立

依據(jù)立柱密封件結(jié)構(gòu)尺寸，利用SolidWorks三維建模軟件完成Y形圈+O形彈性體+擋圈的三維模型，另存為.igs文件。將密封件三維模型導(dǎo)入ABAQUS仿真計(jì)算軟件進(jìn)行材料屬性的設(shè)置，其中Y形圈的材料為NB308，O形彈性體材料為PU2，擋圈材料為POM，直接由ABAQUS仿真計(jì)算軟件的材料庫調(diào)用。之后運(yùn)用自由劃分網(wǎng)格的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，Y形圈和O形彈性體設(shè)置四結(jié)點(diǎn)雙線性軸對稱四邊形雜交單元CAX4RH，擋圈設(shè)置四結(jié)點(diǎn)雙線性軸對稱四邊形單元CAX4R，網(wǎng)格劃分結(jié)果如下頁圖1所示。

圖1 密封件網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.2 載荷施加與約束條件設(shè)置

將活塞桿設(shè)置為固定約束，不存在位移值，設(shè)置立柱套筒為位移約束，用于模擬實(shí)際密封件的預(yù)壓縮狀態(tài)。根據(jù)液壓支架立柱液壓油缸的實(shí)際工作情況，設(shè)置密封件承壓一側(cè)為壓應(yīng)力載荷，大小為31.5 MPa。之后進(jìn)行立柱密封件約束的施加，對密封件與套筒接觸的表面設(shè)置表面接觸，要求不發(fā)生嵌入或者穿透等情況。完成液壓支架立柱密封件載荷施加與約束條件設(shè)置之后即可調(diào)用ABAQUS有限元仿真計(jì)算軟件自帶求解器進(jìn)行有限元分析計(jì)算。

2.3 仿真計(jì)算結(jié)果與分析

運(yùn)用ABAQUS仿真計(jì)算軟件完成線徑Φ3.5 mm活塞桿密封結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算，調(diào)取密封件初始預(yù)壓狀態(tài)和工作狀態(tài)的應(yīng)力分布云圖，如圖2所示。為了直觀準(zhǔn)確地獲取活塞桿密封件與立柱套筒接觸面上的應(yīng)力分布狀態(tài)，提取了接觸面剖面外輪廓上的應(yīng)力分布曲線，如圖3所示。

圖2 活塞桿密封應(yīng)力（MPa）分布狀態(tài)

由圖3密封件外圓周應(yīng)力分布曲線可以看出，在活塞密封件預(yù)壓過程中，Y形圈的主唇口和副唇的位置存在較大的接觸應(yīng)力，數(shù)值分別為48 MPa和45 MPa。在活塞密封件承受31.5 MPa的工作壓力狀態(tài)下，Y形圈的主唇口和副唇的位置存在較大的接觸應(yīng)力，數(shù)值分別為66 MPa和117 MPa。密封件所受接觸應(yīng)力越大，實(shí)際應(yīng)用過程中的變形就越大，使得O形彈性體產(chǎn)生較大的接觸變形，進(jìn)而過早的出現(xiàn)永久變形，降低O形彈性體使用過程中的密封性能，嚴(yán)重了就出現(xiàn)了泄漏問題。

圖3 密封件內(nèi)圓應(yīng)力分布

3 密封件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

3.1 密封件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方法

液壓支架活塞密封件出現(xiàn)泄漏密封效果變差的原因是當(dāng)前密封件與立柱套筒之間存在較大的變形應(yīng)力，二者之間配合較緊，使Y形圈+O形彈性體+擋圈的組合密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形，尤其是起密封作用的O形彈性體，在較大的永久變形下會(huì)失去原有彈性，導(dǎo)致其過早失效，高壓乳化液會(huì)沿套筒與密封件縫隙滲出，產(chǎn)生泄漏。此處從O形彈性體的線徑出發(fā)進(jìn)行密封件結(jié)構(gòu)改進(jìn)，將O形彈性體的線徑由Φ3.5 mm提高到Φ6.99 mm，保證密封圈結(jié)構(gòu)尺寸不變，相對地減小Y形圈的厚度，以便提高密封件的密封性能。

3.2 改進(jìn)效果的驗(yàn)證

對改進(jìn)之后的活塞桿密封件進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，前處理過程同原仿真過程，調(diào)取活塞桿密封初始預(yù)壓縮狀態(tài)和工作狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)分布云圖，如下頁圖4所示。同樣提取兩種狀態(tài)下活塞桿內(nèi)圓面的應(yīng)力分布曲線，結(jié)果如下頁圖5所示，預(yù)緊狀態(tài)時(shí)存在兩個(gè)應(yīng)力峰值，出現(xiàn)在Y形圈主唇口和副唇附近，應(yīng)力值分別為35 MPa、37 MPa；工作狀態(tài)時(shí)同樣存在兩個(gè)應(yīng)力峰值，出現(xiàn)在Y形圈主唇口和副唇附近，應(yīng)力值為47 MPa、109 MPa。

圖4 改進(jìn)活塞桿密封應(yīng)力（MPa）分布狀態(tài)

圖5 改進(jìn)密封件內(nèi)圓應(yīng)力分布

與活塞桿密封改進(jìn)之前相比較，增大O形圈線徑降低了Y形圈主唇口和副唇附近的應(yīng)力峰值，有利于提高密封件的使用壽命和密封性能，起到了較好的改進(jìn)效果。

4 結(jié)論

1）在預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)時(shí)，Y形圈主唇口和副唇附近存在應(yīng)力峰值，立柱泄漏、保壓效果差的原因是工作過程中O形彈性體承受較大接觸應(yīng)力，接觸變形過大，出現(xiàn)了永久變形。

2）在密封件結(jié)構(gòu)尺寸不變的前提下，將O形彈性體線徑由Φ3.5 mm提高到Φ6.99 mm之后，仿真計(jì)算結(jié)果表明，降低了預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)時(shí)Y形圈主唇口和副唇附近存在應(yīng)力峰值，取得了很好的改進(jìn)效果。