液压支架密封件失效原因的分析与改进

原云飞，陈建平

（晋城金焰机电有限责任公司，山西 晋城 048021）

引言

液压支架作为煤炭综采工作面的关键支护设备[1]，其工作的安全性和可靠性直接关系着井下矿工的安全及煤炭企业的经济效益，现已引起了煤炭行业的广泛关注[2-3]。密封件作为煤炭液压支架的重要组成部分，如活塞密封、活塞杆密封、静密封等，其性能好坏决定着液压支架能否输出足够的支撑力与稳定保压，满足煤炭综采工作面的支护要求[4]。市面上液压支架密封件多种多样，但性能相差巨大，进口密封圈的技术和使用寿命远远高于国产，有必要进行深入的研究工作以便提高我国密封件制造技术水平[5-6]。

1 密封件失效问题

液压支架密封件虽然体积不大、价钱较为便宜，但被广泛应用于液压支架的立柱、平衡千斤顶、推移千斤顶等液压结构件中，除了起到密封保压之外还要配合活塞杆的升降动作，是液压支架实现功能动作的基础，也是造成泄漏问题的主要原因。某煤炭企业液压支架立柱额定工作压力约为31.5 MPa，介质为乳化液，工作温度范围为-20~80℃，要求加载之后压力腔锁闭，检测压力腔初始1 min内的压降不能超过10%，但是在实际工程应用过程中立柱出现了泄漏、压降较大，最大压降达到了18%，保压效果较差的问题，严重影响了液压支架的使用性能，给综采工作面内部人员和设备的安全造成了极大的威胁。

2 密封件失效原因的分析

出现液压支架立柱泄漏、保压效果差的问题之后组织相关专业人士对其进行了分析，找出问题原因。立柱液压缸观察结果显示，液压支架立柱液压缸表面存在明显的乳化液泄漏情况，由此可以推断保压较差原因不是活塞密封失效引起的。之后将立柱液压缸拆卸，得到活塞杆密封件，为Y形圈+O形弹性体+挡圈的组合结构，应用沟槽断面尺寸为12.5 mm×20 mm，O形弹性体线径为Φ3.5 mm，相关研究表明，Y形圈与O形弹性体的搭配比例对于密封性能影响作用明显，一旦搭配比例不当就会导致密封位置泄漏，使液压缸内的压力降低，保压效果大大降低，故而出现了立柱保压效果差的问题。为了确定液压支架密封件失效的原因，借助ABAQUS有限元仿真分析软件，对立柱密封件工作状态进行仿真计算。

2.1 有限元模型的建立

依据立柱密封件结构尺寸，利用SolidWorks三维建模软件完成Y形圈+O形弹性体+挡圈的三维模型，另存为.igs文件。将密封件三维模型导入ABAQUS仿真计算软件进行材料属性的设置，其中Y形圈的材料为NB308，O形弹性体材料为PU2，挡圈材料为POM，直接由ABAQUS仿真计算软件的材料库调用。之后运用自由划分网格的方法进行网格划分，Y形圈和O形弹性体设置四结点双线性轴对称四边形杂交单元CAX4RH，挡圈设置四结点双线性轴对称四边形单元CAX4R，网格划分结果如下页图1所示。

图1 密封件网格划分结果

2.2 载荷施加与约束条件设置

将活塞杆设置为固定约束，不存在位移值，设置立柱套筒为位移约束，用于模拟实际密封件的预压缩状态。根据液压支架立柱液压油缸的实际工作情况，设置密封件承压一侧为压应力载荷，大小为31.5 MPa。之后进行立柱密封件约束的施加，对密封件与套筒接触的表面设置表面接触，要求不发生嵌入或者穿透等情况。完成液压支架立柱密封件载荷施加与约束条件设置之后即可调用ABAQUS有限元仿真计算软件自带求解器进行有限元分析计算。

2.3 仿真计算结果与分析

运用ABAQUS仿真计算软件完成线径Φ3.5 mm活塞杆密封结构仿真计算，调取密封件初始预压状态和工作状态的应力分布云图，如图2所示。为了直观准确地获取活塞杆密封件与立柱套筒接触面上的应力分布状态，提取了接触面剖面外轮廓上的应力分布曲线，如图3所示。

图2 活塞杆密封应力（MPa）分布状态

由图3密封件外圆周应力分布曲线可以看出，在活塞密封件预压过程中，Y形圈的主唇口和副唇的位置存在较大的接触应力，数值分别为48 MPa和45 MPa。在活塞密封件承受31.5 MPa的工作压力状态下，Y形圈的主唇口和副唇的位置存在较大的接触应力，数值分别为66 MPa和117 MPa。密封件所受接触应力越大，实际应用过程中的变形就越大，使得O形弹性体产生较大的接触变形，进而过早的出现永久变形，降低O形弹性体使用过程中的密封性能，严重了就出现了泄漏问题。

图3 密封件内圆应力分布

3 密封件结构的改进

3.1 密封件结构的改进方法

液压支架活塞密封件出现泄漏密封效果变差的原因是当前密封件与立柱套筒之间存在较大的变形应力，二者之间配合较紧，使Y形圈+O形弹性体+挡圈的组合密封结构出现较大变形，尤其是起密封作用的O形弹性体，在较大的永久变形下会失去原有弹性，导致其过早失效，高压乳化液会沿套筒与密封件缝隙渗出，产生泄漏。此处从O形弹性体的线径出发进行密封件结构改进，将O形弹性体的线径由Φ3.5 mm提高到Φ6.99 mm，保证密封圈结构尺寸不变，相对地减小Y形圈的厚度，以便提高密封件的密封性能。

3.2 改进效果的验证

对改进之后的活塞杆密封件进行有限元仿真计算，前处理过程同原仿真过程，调取活塞杆密封初始预压缩状态和工作状态下的应力状态分布云图，如下页图4所示。同样提取两种状态下活塞杆内圆面的应力分布曲线，结果如下页图5所示，预紧状态时存在两个应力峰值，出现在Y形圈主唇口和副唇附近，应力值分别为35 MPa、37 MPa；工作状态时同样存在两个应力峰值，出现在Y形圈主唇口和副唇附近，应力值为47 MPa、109 MPa。

图4 改进活塞杆密封应力（MPa）分布状态

图5 改进密封件内圆应力分布

与活塞杆密封改进之前相比较，增大O形圈线径降低了Y形圈主唇口和副唇附近的应力峰值，有利于提高密封件的使用寿命和密封性能，起到了较好的改进效果。

4 结论

1）在预紧状态和工作状态时，Y形圈主唇口和副唇附近存在应力峰值，立柱泄漏、保压效果差的原因是工作过程中O形弹性体承受较大接触应力，接触变形过大，出现了永久变形。

2）在密封件结构尺寸不变的前提下，将O形弹性体线径由Φ3.5 mm提高到Φ6.99 mm之后，仿真计算结果表明，降低了预紧状态和工作状态时Y形圈主唇口和副唇附近存在应力峰值，取得了很好的改进效果。