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为了研究气缸密封件的性能以及失效情况,运用有限元分析方法对格莱圈弹性体进行分析。利用有限元分析软件建立了格莱圈有限元分析模型,通过建模、划分网格、加载、求解以及后处理等步骤,对其在不同压缩率、不同气压时密封面接触压力分布规律进行探讨分析,确定格莱圈易失效位置,分析压缩率和气压对格莱圈密封面最大接触压力的影响。结果表明:在位移云图和接触压力云图中,格莱圈密封面最大接触压力随压缩率和气压的增加而增加;格莱圈的方型圈与缸套的接触压力最大,且最大接触压力明显大于通入气体的压力,故格莱圈不易失效;气缸在实际气压0.
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第 卷第 期
年 月
武 汉 工 程 大 学 学 报
收稿日期
基金项目 国家自然科学基金项目 武汉工程大学科学研究基金
作者简介 王成刚 男 湖南祁东人 副教授 博士 研究方向 应力分析 计算机测控技术 控制 新型化工
设备的研究与开发
文章编号
格 莱 圈 密 封 性 能 非 线 性 有 限 元 分 析
王成刚
肖 健
刘 慧
刘 俊
高 兴
盖超会
武汉工程大学机电工程学院 湖北 武汉
武汉软件工程职业学院机械制造工程系 湖北 武汉
摘 要 为了研究气缸密封件的性能以及失效情况 运用有限元分析方法对格莱圈弹性体进行分析 利用有
限元分析软件建立了格莱圈有限元分析模型 通过建模 划分网格 加载 求解以及后处理等步骤 对其在不
同压缩率 不同气压时密封面接触压力分布规律进行探讨分析 确定格莱圈易失效位置 分析压缩率和气压
对格莱圈密封面最大接触压力的影响 结果表明 在位移云图和接触压力云图中 格莱圈密封面最大接触压
力随压缩率和气压的增加而增加 格莱圈的方型圈与缸套的接触压力最大 且最大接触压力明显大于通入气
体的压力 故格莱圈不易失效 气缸在实际气压 和 压缩率的情况下能正常工作 为评定缸阀一体
化气缸的可靠性提供了参考
关键词 格莱密封圈 压缩率 最大接触压力 非线性有限元分析
中图分类号 文献标识码 doi
引 言
近年来 随着尖端科学技术的迅速发展和工
业 交通运输等部门机械化 自动化水平的不断提
高 对密封件的性能和质量要求也就愈来愈高
本文所研究的对象是缸阀一体化气缸 此气缸是
清洁煤气化装置机械振打除灰系统的关键设备
由于工况的复杂性 现有的冲击气缸使用寿命短
可靠性差等已越来越不能满足工业生产的需求
缸阀一体化气缸的重要部件是密封件 所以衡量
气缸正常工作的重要指标 就是密封件的使用年
限以及其工作的可靠性
格莱圈密封圈包括方型圈以及 型圈
两个部分 通常方型圈材料为含金属粒子的聚四
氟乙烯 具有耐磨 耐热等 在运动过程中 方型圈
与运动的部分相接触 安装时 方型圈与 型圈通
过径向组合安装在同一个密封沟槽中 通过在
型圈上施加一定的压缩量 使 型圈产生较大的
变形而回弹 从而达到使气体无法从 型圈和方
型圈之间以及 型圈与沟槽之间流通的目的 同
时通过 型圈的回弹力传递到方型圈与缸壁之间
的接触表面 从而防止了气体从方型圈与缸壁接
触表面流通 随着气体压力增加 气压把方型圈以
及 型圈推向沟槽的一侧 使得方型圈和 型圈
与密封沟槽壁面产生紧密的接触 型圈因此发
生大变形 并进一步挤压方型圈 使方型圈与缸壁
接触面之间的接触压力进一步增加 随着气压的
增加 接触压力同时增加
密封圈中不仅利用了 型圈自紧式密
封的特性 更利用了方型圈与缸壁表面接触低摩
擦的特点 使得 密封圈具有许多优势 聚四
氟乙烯与金属的摩擦系数是所有固体中最低 静
摩擦和动摩擦几乎完全相等 因此其摩擦磨损小
使用寿命长
此种密封形式相对于普遍的 型
圈最大的优势在于增加了耐磨的方形圈 而且也
兼顾了 型圈的回弹性 目前国内大多数学者对
密封元件的有限元研究一般都集中在最简单的密
封件橡胶 形圈 对组合密封结构的研究极少
故这对以后的密封的分析具有很大意义
密封圈弹性体的本构模型
弹性体的物理非线性
对于橡胶超弹性体不可压缩的特性
为了
得到它一般性质精确的表达式 应借助唯象处理
方法 这在国内外有许多描述方法 而最常见的就
是应变能函数 应变能函数可表示为
S
i
j
W
E
i
j
第 期 王成刚 等 格莱圈密封性能非线性有限元分析
式中 S
i
j
为 应力 W 为应变能函
数 E
i
j
为 应变张量
本文采用基于应变不变量表示应变能密度函
数的 本构模型用于分析超弹性材
料
其应变能密度函数模型如下
W
N
i
j
Ci
j
I
i
I
j
N
k
d
k
J
k
式中 C
i
j
为 模型常数 由材料实验所确
定 对于不可压缩材料 J
其简化后的应变能函数 常见的有二参数 三
参数 五参数以及九参 模型 但本
文采用二参数数 模型描述 其函数
描述如下
W
C
I
C
I
式中 W 为应变能密度
C
C
为材料的
系数 I
I
为第一第二张量不变
量
本文采用此简化的应变函数模型 穆尼常数
分别取为 C
和 C
弹性体的几何非线性
密封圈是由 型圈和方型圈组合而成
型圈是一种超弹性体 在实际工作过程中 型
圈被挤压后产生回弹力 经由方型圈将压力传递
给密封接触面 密封圈因此而达到密封目的
橡胶材料的分析已经远远超过了线性理论的范畴
密封圈有限元分析
密封圈有限元模型建立
由于该整体结构具有对称性 故只取一个截
面来作分析对象 以便简化且真实地反应实际几
何结构和受力状态 图 为简化的 密封圈实
体模型 丁腈橡胶 形圈和聚四氟乙烯滑环采用
二维实体单元 不锈钢缸筒 密封槽采
用 节点二维实体单元 图 为
密封圈有限元模型
图 密封圈实体模型
图 密封圈有限元模型
各种材料的性能参数如表 所示
表 各种材料参数表
参 数
弹性模量
E
X
泊松比 超弹性参数
活塞杆和缸套
方型圈
橡胶 形密封圈
C
C
密封圈接触分析
密封圈分析的边界条件非常复杂 其中
包含了接触计算 此为弹性体的边界非线性 而接
触问题是一种高度的非线性行为 由于在整个分
析中 接触状态在改变 故对整个的分析造成很大
的困难
方型圈与 型圈的接触问题是非线性行为
对于它们之间的接触问题必须满足无穿透约束条
件 因此必须建立一种关系防止接触表面相互穿
过 在当今力学理论 计算数学以及计算机技术的
发展基础上 各国学者提出了很多关于接触问题
的有限元算法 其中最具有代表性的有拉格朗日
乘子法 罚单元法以及直接约束法
本文在运用 软件分析接触问题时
则采用罚单元法进行描述 从变分角度看 罚单元
法可以用下式表示
W
W
e
Q
式中
为结构总势能 W 为应变势能 W
e
为外力
势能 Q 为接触力势能
接触面不被穿透的问题可以采用以上表达式
解决 建立的接触单元如图 所示 模型中含有多
个接触对 接触类型为面面接触 其中接触单元
和目标单元分别为 和
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