[发明专利]无杆式开口气缸组合式密封结构优化方法

说明书

本发明公开了一种无杆式开口气缸组合式密封结构优化方法，当无杆式开口气缸的作动活塞速度达30m/s时，使用目前常见的组合式密封结构（斯特封、VL封等）易造成密封件接触唇口处的严重磨损，优化后改变密封件的截面形状可减小唇口处的最大接触压力，进而减小磨损。优化步骤如下：1）根据工况初步给定组合式密封结构设计参数的选择及密封圈沟槽尺寸参数；2）在ABABQUS中建立组合式密封结构几何模型，3）以几何模型为前提，建立优化过程所需的参数化模型，4）确定优化设计三大要素,建立组合式密封结构的优化数学模型；5）利用多学科优化软件Isight集成有限元软件ABAQUS；6）选择合适的优化算法进行运算求解，获得优化后的组合式密封结构的设计参数。

技术领域

本发明涉及高速动密封技术领域，具体涉及一种无杆式开口气缸组合式密封结构优化方法。

背景技术

无杆式开口气缸是一类特殊用途的气动作动器，可实现高速大负载的直线运动和往复运动，其传动活塞密封件处于高压、高速的工作环境下，其工作条件苛刻，对密封件的性能要求也越来越高。组合式密封结构是由一个橡胶O形密封圈和一个耐磨性优良的聚四氟乙烯滑环组合而成，工作时，利用O形圈弹性体挤压后的支撑力来实现聚四氟乙烯滑环和金属表面的密封作用，聚四氟乙烯滑环的内表面直接参与配合金属面的静、动密封，起主要密封作用，O形圈除为滑环提供支撑力外，同时提供与配合槽面和主密封滑环面间的静态辅助密封，并补偿滑环的磨损。在使用过程中将橡胶O形密封圈优异的密封性能和聚四氟乙烯良好的减摩抗磨性完美融合，充分发挥各自的优势，被广泛地应用于密封行业中。

静密封中只要保证密封件接触压力大于密封流体压力即可，而在动密封中由于接触面间存在相对运动，因此必须考虑密封摩擦特性，需要在接触面建立良好的润滑。摩擦力较大不仅影响作动器的响应速度，并且加快密封件磨损，降低密封寿命。接触压力的增加会导致摩擦力的增加；润滑膜太厚，则摩擦磨振降低，泄漏量增大，另外滑动速度的增加可使得起润滑作用的油膜遭到破坏，密封件因得不到良好的润滑而摩擦发热，导致寿命大大降低。

组合式密封结构以Trelleborg公司的斯特封和VL封为代表，最能满足动态密封件的典型要求，根据Trelleborg公司的产品手册，其斯特封和VL封适用的最高滑动速度为15m/s，因此，针对滑动速度高达30m/s的动密封中存在的滑环易被磨损从而造成密封失效问题，采用有效的结构优化设计方法改变密封件的截面形状减小滑环接触唇口接触压力。

现有技术存在的问题：1)现有组合密封结构未能保证是满足一定工况要求下的最佳结构参数；2)未使用合理的结构优化设计方法，对组合式密封结构进行优化设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无杆式开口气缸组合式密封结构优化方法，优化后改变密封件的截面形状减小接触压力，在满足密封要求前提下解决了针对滑动速度高达30m/s的动密封中存在的滑环易被磨损从而造成密封失效问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种无杆式开口气缸组合式密封结构优化方法，包括以下步骤：

步骤1、首先根据工况要求初步给定组合式密封结构设计参数及密封圈沟槽尺寸参数，转入步骤2。

步骤2、根据组合式密封结构设计参数在ABABQUS中建立组合式密封结构几何模型，其中包括选择单元类型、定义材料属性、网格划分、定义接触关系、确定边界条件及载荷，转入步骤3。

步骤3、以上述几何模型为前提，建立优化过程所需的参数化模型，生成输入文件，为下一步Isight的优化提供接口，转入步骤4。

步骤4、根据目标函数、约束条件及设计变量，建立组合式密封结构的优化数学模型，转入步骤5。

步骤5、利用Isight集成ABAQUS软件，完成输入输出文件解析并进行参数表设置，转入步骤6。