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無(wú)縫鋼管廠在鋼管舉升液壓缸工作過(guò)程中，活塞頻繁做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其上密封圈起封閉和保壓的作用。若密封圈失效會(huì)導(dǎo)致液壓油泄漏，使工作壓力降低而出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致不必要的生命財(cái)產(chǎn)損失。
針對(duì)密封圈的失效現(xiàn)象，一些學(xué)者也做了探索，如張東葛等人采用變參數(shù)法對(duì)Y形密封圈做了變形和受力分析，且對(duì)密封圈進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以延長(zhǎng)密封圈的使用壽命；譚晶等人利用Ansys有限元軟件同樣采用變參數(shù)法研究了O形密封圈的使用性能；于潤(rùn)生等人應(yīng)用超彈性理論和非線性理論，對(duì)復(fù)雜截面的YX形密封圈做了有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。以上研究大都基于靜態(tài)密封情況，在前人研究的基礎(chǔ)上，杭州那泰有限元分析公司研究使用ANSYS12.0有限元軟件實(shí)際模擬舉升液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，分析了密封圈的變形和應(yīng)力分布，對(duì)其他往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封圈的研究具有參考價(jià)值。
本研究的對(duì)象為舉升液壓缸上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封圈，建立模型涉及到的溝槽及Y形密封圈尺寸。公差根據(jù)GB/T 10708.1-2000標(biāo)準(zhǔn)選擇，選擇密封圈型號(hào)為 Y56419.56271 GB/T10708.1-2000。
由于液壓缸、活塞以及密封圈均為軸對(duì)稱元件，所以建立有限元模型時(shí)使用平面模型結(jié)構(gòu)模擬三維實(shí)體模型，這樣不僅可以節(jié)省建模時(shí)間，而且裝配簡(jiǎn)單，便于整體分析。
本研究的密封圈和缸體活塞均采用實(shí)體單元模型PLANE182，接觸單元模型在創(chuàng)建接觸對(duì)時(shí)ANSYS自動(dòng)生成單元模型，目標(biāo)單元TARGE169，接觸單元CONTA172。
對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封圈做研究涉及到兩種材料，鋼與橡膠材料，鋼材料的各參數(shù)可以查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的45#鋼，橡膠材料的各個(gè)參數(shù)一般需要使用測(cè)量的方法獲得，而本研究由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，只能近似參考已有的數(shù)據(jù)。該模型需要定義材料的彈性模量、泊松比、密度等材料特性。
另外橡膠密封圈材料可以近似抽象為小變形的超彈性材料(即不可壓縮) ，應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性，所以需要定義該材料模型的應(yīng)變能密度函數(shù)，本研究選取兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型來(lái)模擬橡膠密封材料。
網(wǎng)格劃分是有限元法的關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣直接影響ANSYS有限元計(jì)算結(jié)果的精確度，本研究剛體活塞網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.001，密封圈尺寸設(shè)置為0.0005。
本研究模擬實(shí)際舉升液壓缸工況，對(duì)密封圈施加三個(gè)載荷步：載荷步一，給缸體施加一個(gè)沿x軸負(fù)向的位移載荷來(lái)模擬Y形密封圈安裝在活塞缸體上時(shí)產(chǎn)生預(yù)壓縮；載荷步二，給活塞和密封圈一個(gè)沿y軸負(fù)向的位移載荷來(lái)模擬往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度；載荷步三，給活塞和密封圈一個(gè)沿y軸正向的位移載荷來(lái)模擬往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度；給活塞施加約束載荷UX=0，缸體施加約束載荷UY=0。在工作壓力為15MPa，往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度為0.5m/s，順行程和逆行程的變形和等效應(yīng)力。
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