航空作动器主密封结构参数化分析*

航空作动器主密封属于往复密封,在飞机调整姿态时起重要作用。以航空作动器常用的斯特封为例,以摩擦力和反向泵回率作为密封评价指标,通过正向(EHL)和逆向(IHL)求解雷诺方程的方法建立往复密封混合润滑模型,推导往复密封系统的摩擦力和反向泵回率的计算方法。根据理论分析,分别对密封唇口的表面形貌参数、唇口与活塞杆倾角进行结构参数化分析。结果表明:选定的表面均方根粗糙度、唇口与活塞杆倾角均满足反向泵回率大于0,且摩擦力与表面均方根粗糙度、油测倾角成正比,与空气侧倾角成反比。通过分析得到了该型斯特封唇口的最优结构参数,为往复密封圈的结构优化提供了参考依据。     

基于斯特封的飞机作动器主密封有限元分析

斯特封作为常用的往复密封圈,在密封过程中起着重要作用。选用斯特封作为飞机作动器密封的主密封件,首先通过单轴压缩实验获得斯特封D形圈和阶梯圈的材料参数,然后利用ABAQUS软件完成斯特封在不同工况下的有限元仿真。通过设置往复密封系统的结构、材料、工况等参数,选择流体压力渗透载荷加载方式,获得斯特封在不同油液压力时过盈安装后和内外行程的应力应变云图及阶梯圈唇口、底部的接触压力分布和接触宽度,为建立往复密封数学模型提供了参数。     

碳纤维密封盘根耐烧蚀性能的研究

碳纤维密封盘根是适用于高压、高速、高温工况下的高端密封产品,其中其耐温性能是决定密封效果的关键指标,而烧蚀实验可以用来评价盘根的耐高温性能。通过热失重和500℃烧蚀实验研究不同碳纤维密封盘根和浸渍及未浸渍聚四氟乙烯(PTFE)碳纤维密封盘根的耐烧蚀性能,采用扫描电子显微镜观察样品烧蚀前后表面形貌的变化。结果表明,采用PTFE浸渍剂处理后,PTFE膜在碳纤维表面起到隔绝空气的作用,减少活性碳原子的氧化反应,对碳纤维起到保护作用,碳纤维表面没有明显烧蚀的痕迹;碳化温度越高,碳纤维内部石墨结构越完善,耐热性越好,因而由高模量碳纤维编织的密封盘根具有较好的耐烧蚀性能。     

纳米Cu粉填充碳纤维/PTFE复合材料的摩擦磨损性能

考察纳米Cu粉含量、粒径对碳纤维/PTFE复合材料摩擦磨损性能的影响,采用扫描电子显微镜分析磨损面和对偶面转移膜形貌,并探讨其磨损机制。结果表明:纳米Cu粉能提高碳纤维/PTFE复合材料的耐磨性,在高载荷下,纳米Cu粉的增强效果更加明显;纳米Cu粉的粒径越小,复合材料的耐磨性越好;添加质量分数0.3%纳米Cu粉的碳纤维/PTFE复合材料耐磨性最优,1.4 m/s,200 N下实验条件下,其磨损率比未添加时降低了45%;SEM分析显示纳米Cu粉能在对偶面上形成平整致密的转移膜,具有显微增强作用。     

碳材料填充PTFE复合材料摩擦磨损性能

利用 MM-200 型磨损试验机考察了石墨、碳纤维、硬碳和软碳填充 PTFE 复合材料的摩擦磨损性能,采用扫描电子显微镜观察分析磨损表面形貌及磨损机制.结果表明,碳材料可以不同程度地提高 PTFE 的耐磨性,它们对PT-FE 耐磨性的提高程度各不相同,其中以硬碳填充 PTFE 复合材料的磨损质量损失最小,石墨填充 PTFE 复合材料的磨损质量损失较大;不同填充材料对 PTFE 摩擦因数的影响各不相同,其中石墨填充 PTFE 的摩擦因数较小.石墨、软碳填允复合材料磨损机制以粘着磨损为主,硬碳、碳纤维复合材料,则表现为粘着磨损和磨粒磨损.     

液压缸往复密封圈表面接触应力监测研究

在液压缸中，往复动密封圈表面接触应力是决定其密封有效性的关键，但由于在工作过程中对往复密封表面接触状态进行监测的难度很大，因此对其变化规律仍缺乏深入了解。针对这一问题，以液压缸活塞杆Y形密封圈为对象，通过有限元仿真分析密封圈内唇磨损对密封圈表面接触应力的影响，确定密封圈表面接触应力的最佳监测部位；采用光纤光栅传感器(FBG)进行密封槽表面接触应力监测试验，通过铺设于密封槽的FBG传感器采集应力数据，得出密封圈周向和轴向接触应力均随内唇磨损增加呈现先增大后减小的趋势，与仿真结果一致；接触应力对密封磨损程度变化的响应灵敏度会随密封压力的增加而增大。研究结果为液压缸实际运行过程中往复动密封状态的监测提供了依据。     

PTFE基耐磨涂层往复滑动摩擦学性能研究

采用CETR多功能磨损试验机,考察PTFE基耐磨涂层在往复滑动条件下的摩擦磨损性能;利用了扫描电子显微镜、三维形貌轮廓仪和电子能谱对磨痕表面进行微观分析,探讨PTFE涂层的摩擦磨损机制。结果表明:PTFE涂层的摩擦学性能与涂层的特性密切相关,较低的摩擦因数对应着较好的耐磨性;涂层的往复滑动磨损表现为磨粒磨损和氧化磨损共同作用的机制。     

考虑变速条件的斯特封磨损寿命预测方法

磨损导致的泄漏是往复密封在服役期间常见的失效形式,目前密封圈磨损寿命的预测主要采用实验方法,其过程复杂且时间、经济成本较高,仿真是达到密封圈磨损寿命预测目的较好的途径,但当前缺少对磨损重要因素—速度合适的仿真处理方法。针对实际工程应用密封系统磨损寿命评估的需求,基于混合润滑模型及Rhee磨损理论提出了考虑变速条件的往复密封磨损寿命预测方法,通过分析给定工况下的密封圈唇口轮廓磨损变化情况,模拟了唇口接触压力、接触宽度、接触变形以及反向泵回率等密封性能随磨损时间累加的演化过程,实现了密封圈磨损寿命预测的目标。结合实际工程应用斯特封,进行了与平均速度处理方法的寿命预测对比。结果表明：变速处理法下磨损失效周期泄漏率为3.24 mL/h,平均速度处理法下泄漏率为0.24 mL/h,预测结果存在明显差异,速度的瞬态变化是往复密封磨损仿真速度是不可忽略的因素。     

PTFE复合材料密封圈摩擦特性的对比研究

为优选摩擦性能优异的密封用PTFE复合材料,搭建往复密封测试台架,对比研究5类填充PTFE密封圈在长期运行工况下的摩擦磨损性能,并对其失效机制进行分析。结果表明:含Cr_2O_3减磨剂的青铜/PTFE复合材料具有优异的低摩擦、耐磨损与抗蠕变性能,泄漏量较少(往复30万次泄漏为10 mL),性能最优;碳粉/石墨填充的PTFE复合材料虽然摩擦因数较低,但其磨损量较大,泄漏量较多;碳纤、玻纤填充的PTFE复合材料摩擦力最大,且抗蠕变性能差,试验过程中密封圈径向尺寸变化明显,泄漏量大。对PTFE往复密封圈而言,填充Cr_2O_3减磨剂的青铜/PTFE复合材料具有较高的实用价值。     

无油压缩机气缸-活塞环摩擦磨损特性试验研究

为探究无油压缩机气缸与填充PTFE活塞环的配对摩擦磨损特性，在Rtec-instruments多功能摩擦磨损试验机上对不同表面处理工艺的不锈钢、铝合金气缸材料与不同配方填充PTFE活塞环材料进行配对摩擦磨损试验。通过对摩擦系数时序曲线的变化规律、摩擦副磨损前后表面形貌特征及填充PTFE磨损量的研究，选择最优摩擦学性能的气缸-活塞环的配对摩擦副。结果表明，铝合金与不锈钢表面进行PCVD处理相对于常规阳极氧化和镀铬更易在摩擦表面形成自润滑转移膜；PTFE填充碳纤维时，其摩擦系数时序曲线随磨合过程降低且较为稳定；考虑摩擦系数与相对磨损量，提出了综合摩擦系数作为配对摩擦副选材的依据；PCVD处理的铝合金材料与填充主材碳纤维PTFE的综合摩擦系数为6.1×10^-5，具有较低的综合摩擦系数、稳定的摩擦系数时序曲线和良好的表面形貌特征，可作为气缸-活塞环的配对摩擦副的优选方案之一。     

海工装备液压缸多重组合式密封结构设计与仿真分析

针对单个密封圈易磨损导致密封失效,且更换密封件过程繁琐的不足,设计多重组合式密封结构。该设计在单个密封圈密封结构的基础上,在活塞杆内侧设置两个起缓冲作用的密封圈,在缸底增加一个密封圈,构成多重组合式密封结构。通过有限元仿真,分析在均匀分布的不同压力下,单密封圈密封结构和多重组合式密封结构中的密封圈随着活塞杆往复运动时,密封圈的最大承载与受挤压形变,探究密封圈使用寿命和应力集中区域的变化。结果表明：多重组合式密封结构能够有效减小密封圈所承载的压力,密封圈使用过程中无明显挤压磨损现象,使用寿命延长,验证了多重组合式密封系统的有效性与可行性。     

Y形活塞杆密封动静态性能分析及结构优化

为提高液压缸活塞杆用Y形密封的可靠性,研究其在动、静密封状态下的密封特性。通过有限元分析,研究Y形密封在不同工况下的受力、变形及主密封面接触压力分布规律。根据液压往复密封原理,研究不同介质压力下活塞杆密封在往复行程中的泄漏量的变化趋势。结果表明：Y形密封在安装工况下抵抗压力冲击的能力较弱;随着介质压力增大,Y形密封在静密封状态下的密封性能指数、动密封状态下的净泵回量均有所下降,防止泄漏的能力降低;高压工况下,Y形密封抗挤出能力降低,根部被挤入密封间隙,将出现咬伤现象导致密封系统失效。针对Y形密封工作过程中出现的咬伤问题,使用根部倒角的方法进行结构优化;利用中心设计方法建立以单个往复行程中的泄漏量为目标函数的响应面模型,对Y形密封进行结构优化。优化后的Y形密封在动、静密封状态下的密封性能得到提高,磨损速度、被咬伤的风险降低,提高了Y形密封的可靠性。     

基于液压往复密封的聚醚醚酮性能研究及其应用

针对液压往复密封的低摩擦、高耐磨、耐高压抗挤出、耐液压油等独特工况条件,采用聚四氟乙烯(PTFE)和碳纤维对聚醚醚酮(PEEK)材料进行填充改性,研究改性PEEK材料的力学性能和摩擦磨损性能,并与填料改性PTFE材料进行比较。通过结构设计和有限元仿真分析,对改性PEEK材料与弹性体材料组合的密封件在不同温度下的密封性能进行了模拟和分析,并通过密封功能试验对模拟分析结果进行了验证。结果发现:质量分数20%PTFE填充改性PEEK材料的摩擦因数最低,且其对金属摩擦副无损伤,更适用于液压往复密封;组合密封能有效克服PEEK材料弹性性能差、安装困难的不足。有限元仿真分析结果表明,组合密封在不同温度下能很好适应42 MPa的压力。密封功能试验表明,组合密封比单一PEEK材料密封的启动摩擦力小、泄漏率低,证明改性PEEK材料可替代聚四氟乙烯和尼龙材料应用在液压往复密封领域。     

关于对油缸活塞杆动密封外泄漏的设计改进

该文通过理论计算,借助仿真分析和台架实验与整机实验,对某机型工程机械油缸外泄漏的失效原因进行分析,认识到在杆密封方案选型合理及工艺加工符合图纸要求的前提下,油液从杆动密封处外泄漏的原因除了油液里面的杂质损坏杆动密封之外,杆动密封处的外泄漏一般是以“油环”状形式间歇的向外泄漏。通过在静止状态下对油缸杆串联动密封各密封圈间的压力测试及在往复运动过程中对油缸串联杆密封各密封圈间收集的油膜油液“泵回吸”回油缸内腔的动态分析。得出除了杂质导致油液外泄外,合理设置各密封圈与活塞杆之间的间隙S和密封圈唇口前间隙为S的相对表面长度L,是降低油缸杆密封外泄漏的关键核心因子。     

Topographic Investigation of the Wear Resistance of PTFE Seals in Sliding Contact with Ceramic Materials

This paper is concerned with the wear of PTFE seals used in connection with reciprocating ceramic-coated rods. An analysis of the relationship between the surface topography of ceramics and wear of PTFE seals was undertaken, formulating three hypotheses which have been investigated experimentally using a seal test rig and a system for three-dimensional surface roughness analysis. It was observed that no running-in of the rod surface lakes place and, consequently, the tribological situation never stabilizes. It was shown that seal wear rate is dependent on the number of asperities penetrating the lubricant film thickness, the wear rate being correlated to a functional parameter (S_{pk_0}) which was especially developed to describe the peak height above the mean plane. Furthermore, it was illustrated how the structure of ceramics allows the lubricant to flow unhindered between isolated asperities in contrast to the traditionally polished structure of steel which restricts the lubricant flow.     

矩形密封圈的增效运行参数研究

建立矩形密封圈的混合润滑模型,分析工作压力、活塞杆运行速度和密封件粗糙度对轴向往复用矩形密封圈的摩擦力矩、泄漏量的影响。结果表明:过大的密封压力会对密封件造成损坏,使得摩擦力和净泄漏量极速增大;往复速度的增加会使摩擦力线性增大,直线往复密封的净泄漏量随着表面粗糙度的增大表现为越来越大的增量。利用田口实验设计方法对矩形密封圈操作压力、运行速度和密封件粗糙度进行正交试验,分析得到最优参数组合,并得到各影响因素对密封性能的影响程度由大到小依次为往复速度、粗糙度、密封压力。     

Impact of Viscoelasticity on the Tribological Behavior of PTFE Composites for Valve Seals Application

In this article, we studied and explored the impact of viscoelasticity on the friction and wear behavior of pure polytetrafluoroethylene (PTFE), carbon–graphite PTFE composite, and glass fiber–MoS₂ PTFE composite. Tests were carried out using a specific reciprocating tribometer for valve seal application. The worn surfaces of the PTFE composites and the transfer films formed on the counterface were examined with a scanning electron microscope (SEM). Experimental results revealed that the addition of filler materials was effective in reducing the wear volume in all composites studied. In addition, the friction coefficient and wear resistance showed high sensitivity to the viscoelastic behavior of the PTFE seal. SEM investigation showed that the incorporation of particulate fillers into the PTFE matrix could dramatically reduce and stabilize the transfer films to the counterface, so they largely decreased the wear of the PTFE composites.     

Simulation of the Effects of a Plunge Ground Rod on Hydraulic Rod Seal Behavior

A numerical analysis of a reciprocating hydraulic rod seal with a plunge ground rod has been performed. It consists of coupled fluid mechanics, contact mechanics, and deformation analyses. The fluid mechanics analysis consists of a finite volume solution of the Reynolds equation. The deformation is computed with a finite element analysis. The contact of the seal asperities with the rod utilizes the Greenwood-Williamson model and the rod surface geometry is treated deterministically. The fluid transport, friction force, contact pressure distribution, and fluid pressure distribution in the sealing zone have been computed for a polyurethane U-cup seal and for a step seal with a polytetrafluoroethylene (PTFE) sealing element and a nitrile energizer. These have been compared with the results for a smooth rod.     

考虑磨损的组合密封性能分析

针对橡塑组合密封圈的磨损和密封性能仿真方法开展研究,基于有限单元法开展接触压力的求解和磨损过程的仿真分析,采用有限差分法开展流-固耦合仿真分析获得密封间隙的压力和膜厚分布,提出了一种可用于组合密封圈磨损过程仿真和密封性能预测的方法。仿真过程中考虑了摩擦热对接触压力和磨损的影响,解决了塑料材质密封圈大体积磨损仿真时网格重构的难题,实现了磨损仿真过程中强度分析和流体力学分析的迭代求解,并实现了程序化。基于材料的摩擦磨损试验对模型参数进行了修正,通过旋转密封台架试验对仿真模型进行了验证。