Reliability of Machine Tool2021年第2期
邵瑞影①王洪军②宋娟①葛伟伟①
(①青岛黄海学院智能制造学院，山东青岛266427；②青岛万宝压缩机有限公司，山东青岛266427)
摘要：针对气动平衡器中O形密封圈的密封问题，利用ANSYS软件建立有限元分析模型，得出不同预压缩率和工作压力下应力的变化规律。研究结果表明，随着预压缩率和工作介质压力的增大，密封圈 所受到的最大接触应力和von Mises应力随之增大，预压缩率取20%时,von Mises应力受到工作压力的影响较小，密封效果较好。搭建气动平衡器密封圈密封性能测试试验平台，通过测量重物最终稳定时下降的距离计算出装置的泄漏量，通过泄漏量检验密封效果，根据试验结果，证明选用的O 形密封圈具有良好的密封性能，可以满足现场工作的需要。
关键词：气动平衡器;O形密封圈；密封性能；试验；ANSYS
中图分类号:TH138文献标识码:B
DOI：10.19287/jki.1005-2402.2021.02.002
Analysis and test of sealing performance of pneumatic balancer O-ring seal
SHAO Ruiying①，WANG Hongjun②，SONG Juan®,GE Weiwei®
((DSchool of Mechanical and Electrical Engineering,Qingdao Huanghai University,Qingdao266427,CHN；
②Qingdao Wanbao Compressor Co.,Ltd.,Qingdao266427,CHN)
Abstract:Aiming at the sealing problem of O-ring in pneumatic balancer,the finite element analysis model was established by using ANSYS software,and the change law of stress under different precompression rate and
working pressure was obtained.The results show that the maximum contact stress and von Mises stress of the sealing ring increase with the increase of the precompression rate and the working medium pressure.
The sealing performance test platform of pneumatic balancer sealing ring was built.The leakage amount of the device was calculated by measuring the falling distance of the weight when it was finally stabilized.
The sealing effect was checked by the leakage amount.
Keywords:pneumatic balancer；O-ring seal close；sealing performance；test；ANSYS
随着社会科技的进步，气动装置发展迅速，逐渐占据了吊装领域E。气动平衡器的工作原理是通过改变缸体内气体的压力，促使活塞往复直线运动，活塞的直线运动可通过丝杠转换为旋转运动，卷筒缠绕钢丝绳完成升降重物的工作⑵。在气动平衡器中，密封性能决定着设备的工作效果⑶。密封效果达不到要求，会影响项目的正常进行，增加成本支出，甚至会引发安全问题⑷。0形密封圈主要用于零部件结合面之间、旋转轴与安装座等地方的密封⑸。根据气动平衡器密封要求及各密封形式的适用场合，气动平衡器活塞与气缸之间采用0形密封圈密封。0形密封圈具有结构简单、价格低廉、适用性强等优点⑹。现阶段已有众多学者对0形密封圈的静力学、动力学和摩擦学展开深入研究⑺。
本文以气动平衡器中的0形密封圈为研究对象，分析其密封性能，得出应力变化规律，最后通过试验验证装置的密封效果。
1模型建立
1.1物理模型
滚珠丝杠旋转副o形密封圈
图］全程悬浮气动平衡器装配图
气动平衡器是一种气动吊装设备，常应用于机械加工、装配车间，能够实现工件快速搬运，提高装配精
18用
§9“刻出滋**和雷
度和工作效率，降低工人的劳动强度⑻。如图1所示, 气动平衡器主要由端盖、气缸、活塞、0形密封圈、滚珠 丝杠螺旋副和推力轴承等组成。
1.2有限元模型
橡胶密封件结构复杂，为简化结构，将三维模型简 化为二维轴对称平面图形。图2所示为气动平衡器0
形密封圈有限元模型。活塞孔用0形密封圈规格为
185 mmx7 mm o 选用PLANE 183四边形8节点网格划
分单元，用线性单元表示沟槽。在接触表面中选用同 样的摩擦因数⑼。
1.3模型的基本假设
(1) 气缸的弹性模量远大于0形密封圈的弹性模
量，定义气缸为刚体。
(2) 忽略误差的影响，设气缸密封为轴对称
结构叫
(3) 0形密封圈材料具有各向同性、均匀连续的
移通智能手机特性叫
(4) 0形密封圈具有确定的弹性模量和泊
松比［⑵。
1.4边界条件
0形密封圈在安装后工作过程中受到单侧工作压
力的作用［⑶。所以在ANSYS 中的模拟操作步骤为：
(1) 在气缸施加一个由上到下位移载荷，作用在 0形密封圈上，模拟预压缩力变形。
(2) 在密封圈右侧施加均布压力载荷，模拟工作
状态下密封圈的应力应变。
置受力较大，容易发生变形。预压缩率越大，气动平衡
器的密封性越好，但是预压缩率过大会造成0形密封 圈疲劳磨损，降低密封圈的使用寿命，所以要合理选择 密封圈的预压缩率。
((b)尸0.3 MPa
333E+07
296E+07258E+07221E+07185E+07143E+07111E+07739493
368746
(c) p=0.5 MPa
.-395E+07I -351E+07-308E+07-264E+07-220E+07-176E+07-132E+07
8力973
4393680
2结果与分析
(d) p=0.7 MPa
在工程应用中，通常用接触应力和von Mises 应力
来衡量装置的密封性能［⑷。气动平衡器工作时，悬挂 物体的重量决定着缸体内气体的压力，不同重量对应
的压力不同。在模拟计算时，选取工作压力分别为0.1
MPa 、0.3 MPa 、0.5 MPa 、0.7 MPa，在预压缩率为 5 %、
10 %,20%下的密封性能。分析结果如图3〜8所示。
由图3〜8可知，预压缩率不变，工作压力增加时,
最大接触应力和von Mises 应力都增大，密封圈中间位 用§9*刻出滋
*乜和%®
图3预压缩率为5%，不同工作压力下密封圈接触应力
Q
mhhpa(a) p=0.1 MPa
1
-169E+07 -150E+07 -132E+07
-113e+07
940545 753130
565717 378301
190886
3470.09
• 19
•
Reliability of Machine Tool2021年第2期
I-173E+07-154E+07-135E+07
-116^4-07
968285
778705
589126
1399547209968
20389.4
(b)p=0.3MPa
-194E+07
-173E+07
-
152E+07
-131&4-O7
-109E+07
883106
671688
460271
248853
374359
图4预压缩率为5%，不同工作压力下密封圈von Mises应力
(b)p=0.3MPa
|-481E+07
-
428E+07
-374E+07
-321E+07
-267E+07
-214E+07
-160E+07
-107E+07
1504378
10■
(c)p=0.5MPa
ID I-313E+07-273E+07-243E+07-209E+07-174E+07-139E+07-105E+071702006355815
9623_12
(a)p=0.1MPa
-314E+07
-274E+07
(b)p=0・3MPa
(c)p=0.5MPa
-244E+07
-209E+07
-175E+07
-140E+07
-105E+07
709076
364385
19694
-316E+07
I-281E+07
I-246E+07
-211E+07
-176E+07
-141E+07
-106E+07
708598
I357871
船舶智能焊接技术■7144
1-322E+07
1-287E+07
1-251E+07
-216E+07
-181E+07
-146E+07
1-111E+07
]753217
401015
148813.4
1
(d)p=0.7MPa
图6预压缩率为10%，不同工作压力下密封圈von Mises应力
20用§9“
刻出滋**和雷
(b)p=0.3MPa
(a)»=0.1MPa
IB.-682E+07I-607E+07I-533E+07-458E4O7-383E+07-308E4O7I-233E+07-158E+07I837073I89891
(b)p=0.3MPa
(c)p=0.5MPa
(d)p=0.7MPa
图8预压缩率为20%，不同工作压力下密封圈von Mises应力
不同预压缩率下，最大接触应力和von Mises应力
与工作压力间的变化规律如图9和10所示。
(c)p=0.5MPa
e
d
w
/
-
R
暮
第
瞩
图7预压缩率为20%，不同工作压力下密封圈接触应力叫.00.10.20.30.40.50.60.7
工作介质压力/MPa
图9不同预压缩率下，最大接触应力
与工作压力对应关系
高压电线杆I-681E+07-605E+07
-530E+07
-455E+07
-
380E+07
-305E+07
-230E+07
柴油机免摇启动器I-154E+07791240
39325.6 (a)p=Q.l MPa
由图9~10可知，工作压力不变时，预压缩力增大,0形密封圈的最大接触应力和von Mises应力也变大，但是预压缩率越大，应力受到压力的影响程度越小。对于气动平衡器而言，预压缩率决定着密封效果，在设置预压缩率时，要适当增大预压缩率，同时还要保证密封圈受力压缩时不产生永久性变形。所以，取预压缩率为20%时，应力受到工作压力的影响较小，产生的变形也可恢复，能够满足装置的密封要求，也能延长0形密封圈的使用寿命。
・21・
Reliability of Machine Tool
2021年第2期
距离。
经试验测得的数据如表2所示。
-£=5%-£=10 %-£=20 %
表2密封性能测试
时间/min
气缸压力/MPa
下降距离/mm
0.46
0300.44
60
0.43
湿度传感器芯片2
900.425
1200.4010150
0.40
10
5七.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5 0.6 0.7
工作介质压力/MPa
图10不同预压缩率下，最大von Mises 应力与工作压力对应关系
.5.0.5.0.52 2 L
L O.
E d w /*R ^S <D .52W
UOAy^
3密封试验测试
图11为气动平衡器密封性能的测试试验装置。
图11试验平台
压力越大，对密封的要求越高。表1是用气压表
测得气缸压力与重物重量之间的对应数据表。
表1气缸压力与重物重量的关系
编号重物/炖
气缸压力/MPa
1
200.11
230
0.143400.204
500.225
60
0.30670
0.347
800.38
8
90
0.4491000.4610
120
0.58
为更好地检验气动平衡器的密封效果，选取质量
为100 kg 的物体，静止悬挂在空中并做相关数据的
测量：
(1) 不同时间气缸内气压的变化；
(2) 不同时间内物体相对于初始位置下降的
由表2可知，每隔30 min 测量一次物体下降的高
度和缸内气压，经过120 min，缸内气体压力和下降高
度保持稳定，下降距离为10 mm，则计算泄漏量为2.59
mL/min<(3+0.15/))= 32.85 mL/min，表明气动平衡器
0形密封圈的密封性能良好，能够满足现场工作的
需要。
4结语
(1) 以气动平衡器中的0形密封圈为研究对象,
在ANSYS 中建立0形密封圈与气缸的二维轴对称 图形，得出不同预压缩率和工作压力下应力的变化
规律。
(2) 当预压缩率不变时，工作压力增加,0形密封
圈所受到的最大接触应力和von Mises 应力增大；当工 作压力不变时，预压缩率增大，密封圈的最大接触应力 和von Mises 应力同样增大，且预压缩率越大，最大接
触应力和von Mises 应力受到压力的影响程度越小。
(3) 0形密封圈中间位置受力最大，容易发生永
久性变形或破裂的情况，预压缩率取20%时，其密封
效果最好，使用寿命较长。
(4) 搭建测试气动平衡器密封性能的试验平台,
将重物提升一定高度后，每间隔半小时对重物距离地 面的高度进行测量，最后通过重物下降的距离来计算 泄露量，根据试验测试结果可知所选的0形密封圈具
有良好的密封性能，能够满足现场工作的需要。
参考文献
[1] 李文龙•薄壁低摩擦气动起吊装置关键技术的研究[D].广州：华南
理工大学,2014.
[2] 孙玉杰.全程悬浮气动平衡器密封及摩擦特性研究[D].青岛：山东
科技大学,2017.
[3] 齐秀丽，鞠彬.全程悬浮气动平衡器控制系统设计[J].液压与气动,
2014(8)：77-79.
[4] 张国渊，陈国忠，赵伟刚，等.高速低温动静结合型机械密封结构优
化及运转试验[J] •航空动力学报,2018,33 (5):1093-1102.
22
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议