油气弹簧密封流体动力学建模与分析

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由于油气悬架往复工作频繁运动冲击大,对密封可靠性的要求很高,密封系统的性能直接影响整个悬架系统的性能,油气弹簧易漏油密封件的寿命低是其突出缺点也是设计人员经常遇到的难题,成为几十年来国内外研究的关键技术之一。油气悬架设计时经常遇到的密封结构选型困难,密封件的选择和使用多依据设计者的工程经验并需要多次的试验验证。因此本文希望通过对液压系统往复动密封的密封机理的研究,基于MATLAB/SIMULINK平台以及ABAQUS有限元软件建立密封系统的仿真模型对密封特性进行分析,为设计者提供一定的理论指导减少试验的次数缩短研发周期。本文首先介绍了现代液压控制对密封系统的要求以及国内外液压密封系统研究现状,并对密封的概念、分类以及影响因素等基本知识作简单的介绍。密封件材料的选择是影响其性能的重要因素,而对材料的精确模拟是研究密封系统的基础。橡胶材料和合成塑料是密封件的常用材料,超弹性和非线性是橡胶材料的典型特点,本文通过实验数据对橡胶材料的特性进行精确模拟,得到Mooney-Rivlin模型参数。国内对密封件的研究多采用有限元方法得到接触压力分布而极少对密封的泄漏及摩擦等进行研究。本文根据密封的基本理论知识建立动密封的数学模型,将密封界面粗糙度、流体的黏度及流动特性、复合高弹性材料的特性等影响因素考虑进去。密封体安装后及工作状态时的变形模型的建立依据橡胶材料的本构模型以及材料力学的基础知识,密封间隙内的流动模型则是基于流体动力学的基本知识而建立的。并给出密封间隙处油膜厚度的确定方法以及密封系统泄漏量和摩擦力的求解方法。对于工程中常用的密封结构安装后以及受压后的变形量用数学方法较难求解,本文借助于ABAQUS有限元软件,求解各类密封体的变形及接触压力分布情况。求解到准确地压力分布情况即可根据所建立的密封流体动力学模型求解各类密封的性能参数。本文选取活塞杆常用的两类密封结构进行分析,O形圈和阶梯形滑环与O形圈的组合密封结构,建立两种密封结构的有限元模型,并对O形圈和组合密封的静止和往复工作状态进行分析,得到密封体内的应力分布图及接触压力分布情况,利用数学模型求解得到油膜厚度、泄漏量和摩擦力等结果并进行试验验证。在O形圈及组合密封结构原有结构的基础上改变密封系统工作状态和结构设计参数,分析参数变化对密封性能的影响。对于O形密封圈选取截面压缩率和工作压力,对于组合密封结构选取了工作压力、往复运动速度、截面压缩率等因素进行分析。最后,总结前面仿真分析的参数变化对密封性能的影响,希望通过本文中提出的方法对密封设计与选型提供一定的理论指导。
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