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1、柱塞泵密封圈接触应力的有限元分析报告1柱塞泵密封圈接触应力的有限元分析目的柱塞泵中的密封圈多采用V型橡胶密封圈，是典型的往复式柔性密封。虽然人类对往复 式柔性密封的研究有几十年的历史，但是至今对它的认识还很不够。许多学者发现，在密封 的往复行程中，在唇口与密封表面间有一层油膜，使摩擦系数下降。60年代以后，随着流 体动压润滑理论的发展，奥地利的H .Blok认为密封面的润滑问题可设想为滑动轴承流体动 压润滑的逆问题，即假设已知压力分布，然后应用雷诺方程来计算油膜厚度、速度分布、剪 切应力、泄漏量与摩擦力。为求得密封表面合理的薄膜形状，首先需要解决的问题是密封柔 性元件与刚性表面间的压力分布曲线
2、。可见，对于柱塞密封圈润滑机理的研究，首先应从柱 塞与密封圈间接触应力的确定着手。但是由于结构和载荷的复杂性，要求得理论解往往是很 困难的。采用有限单元法来计算橡胶密封圈与柱塞间的接触应力是一种有效的方法。2柱塞密封圈结构1柱塞2柱塞密封后压帽3 O3S密封国4柱塞刮环5润滑油入孔6支承环7捺胶密封8 PTFE垫环9压环10前端支承环11测压扎12压力传越黠图1密封结构及材料如图1所示，柱塞1受到约束只能作直线往复运动；柱塞密封后压帽2对密封起压紧调节 作用；密封体部分由三道橡胶密封圈7和三道PTFE垫环8相间叠置组成，这种结构能保证密封 圈依次工作，即当第一道密封圈失去作用后，压差传至第二道
3、密封圈，第二道密封圈也能够 起到密封作用，从而提高总的寿命；支承环6是支承V型密封圈的重要部件；压环9的作用是 给V型密封圈形成初始压缩量，使其与密封面充分接触，压环的端面宽度应该较腔体宽度稍 小，它与柱塞间的间隙约为0.120.20mm,这样压力更好地作用于密封唇使其充分张开；密 封函体上的小孔5是强制润滑油的入口。显然不干净的泵送液体对密封起损坏作用，国内外 生产的柱塞泵对此采用的措施：在密封函体上的小孔5注入机油，机油的注入压力略高于整 台泵的灌注压力。其目的是除了为柱塞与密封件之间提供良好的润滑外，更重要的是在柱塞 与密封件之间形成一高压油膜，阻止不干净的压裂液（工作介质）进入密封间隙
4、，对密封件起 保护作用。3计算条件密封圈结构尺寸如图2所示；密封圈材料：聚氨酯橡胶、丁睛橡胶；柱塞尺寸：G101. 6mm ；垫环材料：填充PTFE；工作介质：酸化液体；工作压力：3080MPa；材料的性 能参数见下表1。表1材料性能参数性能PTFE丁月青橡胶聚氨酯橡胶N232SHN237HN234L829082808270弹性模量（MPa）270025.2922.0517.6438. 2229. 4017. 70泊松比（v ）0. 130. 470. 470. 470. 470. 470.47由于分析方法是一样的，因此在应用ANSYS对密封圈进行分析时，只对其中一种材料参 数进行了分析，所选
5、择的材料参数为丁膳橡胶中的N232SH,其余材料只需要在ANSYS分析时, 定义材料参数时进行修改就可以了，故不进行重复分析。图2密封圈尺寸图 在solidworks2010中建立三维模型如图：图3solidworks2010中建立的三维模型将建立好的三维模型保存为.igs格式后输入到ANSYS12. 1中进行有限元分析。4进行分析时部分ANSYS命令/BATCH19:04:5705/15/2012/COM, ANSYS RELEASE 12. 1UP20091102 /input, menust, tmp,1/COM, ANSYS RELEASE 12. 1UP2009110219:04:5
6、705/15/20120.9900366211860.865239880165E-01/GRA, POWER/VIEW, 1, -0. 111090450575/ANG,1,14. 8071639490/REPLO/DIST,1,102.061570010/ANG,1,88.9071639490/REPLO/ANG,1,20.0756106292/REPLO/DIST,1,99.0424458502/ANG,1,10.4756106292/REPLO/VIEW,1,-0.451386492297,0.654538536238,-0.606489521056/ANG,1,-6.199217679
7、14/REPLO/REPLO/VIEW,1,-0.548351984511,0.570261678639,0.611646727252/ANG,1,67.2260681385/REPLO/VIEW,1,-0.689449689396E-01,-0.926465043671E-01,0.993309225008/ANG,1,77.6856722602/REPLO/DIST,1,91.5173066031/ANG,1,72.2856722602/REPLO/VIEW,1,0.473321222259,-0.805797321984,-0.355890006100/ANG,1,-21. 354145
8、7140/REPLO/VIEW,1,0.376455592501,-0.465805661262,-0.800816004343/ANG,1,-40.5268616313/REPLO/VIEW,1,0.500449854970,-0.605867772170,-0.618444973547/ANG, 1,-33. 1821734476/REPLO/VIEW,1,0. 978048515721,-0. 667076798760E-01,-0.197411211289/ANG,1,-15. 5494710182/REPLO/DIST,1,103. 687372682/ANG,1,-11.34947
9、10182/REPLO/VIEW,1,0. 520999388465,-0. 203840216118,-0.828859942036/ANG,1,-20. 6431910008/REPLOFINISH! /EXIT, NOSAV/BATCH/COM, ANSYS RELEASE 12. 1UP2009110223:41:1705/27/2012/input, menust, tmp,，,1/COM, ANSYS RELEASE 12. 1UP2009110223:41:1805/27/2012/GRA, POWER/GST, ON/PLO, INFO, 3/GRO, CURL, ON/CPL
10、ANE, 1/REPLOT, RESIZEWPSTYLE,0/DIST, 1, 1. 08222638492,1/REP, FASTFINISH! /EXIT, NOSAV/BATCH/COM, ANSYS RELEASE 12. 1UP2009110223:41:4505/27/2012/input, menust, tmp,，,1/COM, ANSYS RELEASE 12. 1UP2009110223:41:4505/27/2012/GRA, POWER/GST, ON/PLO, INFO, 3/GRO, CURL, ON/CPLANE, 1/REPLOT, RESIZEWPSTYLE,
11、 , 0/POST1SET, 1, LAST, 1,FINISH! /EXIT, NOSAV 5 ANSYS分析结果图4应用ANSYS12. 1求解后示意图NODAL SOLUTIONSTEP=1 SUB =1 TIME=100 /EXPANDED SEQV (KVG) DMX =.006176 SMN =220.701 SMX =15401ANSYSMAY 15 201217:51:36220.7013594696710341137141907528186541202715401contact analysis11826.72210402199772955239127图7柱塞向左运动时的应力
12、云图1图8柱塞向左运动时的应力云图2ANSYSTIME=120曲 15 2012/EXPANDED17:55:02CONTPRES (fiVG)RSYS=0DMX =.500318SMX =9420c oo12093110473140523373269420contact analysis1POST26FZ_237603680.3600.3520-3440.LVALU 3360.3280-3200.3120.3040.2960contact analysis100110120130140THANSYSMAY 15 2012 18:03:36200、150ME160170180190图10节点反力随时间的变化图
