CN115906571B - 一种轴向柱塞泵柱塞副串联组合密封可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向柱塞泵柱塞副串联组合密封可靠性评估方法，包括以下步骤：(1)首先确定密封圈的材料退化曲线，通过材料退化曲线间接反应密封圈随工作时间增加的劣化过程；(2)根据调研分析，辨识缸套与柱塞之间的密封间隙的概率分布规律；(3)第一级主密封工作油压取柱塞泵在正常工作期间的最大值。(4)根据给定的尺寸参数条件，基于三维建模软件，构建柱塞泵缸套与柱塞密封的模型。(5)将所述柱塞泵缸套与柱塞密封的三维模型导入有限元软件(6)最后将以上参数数据输入到可靠性模型，定量评估可靠性指标。本发明能拓展至不同工况下，对不同轴向柱塞泵的柱塞副密封的可靠性评估。

Description

一种轴向柱塞泵柱塞副串联组合密封可靠性评估方法

技术领域

本发明涉及轴向柱塞泵的柱塞副密封领域，具体为一种轴向柱塞泵柱塞副串联组合密封可靠性评估方法。

背景技术

近年来，随着整体的工业水平的不断提高，液压系统也向着高压力、大流量、高可靠性等方向快速发展。因此，对液压元件的可靠性程度提出了更高的要求。轴向式柱塞泵作为液压系统中的动力核心元件，对整个液压传动系统的可靠性、安全性起着重要作用。轴向式柱塞泵的柱塞副是柱塞泵中最重要的摩擦副，柱塞副的密封组件的密封性能直接决定了轴向柱塞泵的使用寿命和稳定性。密封的失效往往会造成泄露和磨损，轻则小范围的泄露和污染油液，降低液压系统的工作效率和稳定性，重则会导致较为严重的安全事故。

准确评估轴向柱塞泵柱塞副的密封可靠度指标，有利于液压元件在设计阶段合理设计密封元件的个数与组合方式。现有柱塞泵柱塞处的密封设置有两级或者多级组合方式，各级密封元件的选型也多种多样。为了合理设计柱塞处密封元件的种类和数量，能够准确的评估柱塞副密封的可靠性尤为重要。在实际生产设计中，柱塞处密封设计，为了得到较好的密封效果，无限制的增加密封圈数量，但是这也增加了柱塞处的摩檫力，随这工作时间的增加，密封圈温度也会急剧上升，降低了密封圈的寿命，从而会影响整个液压系统的稳定性和可靠性。

经过对现有柱塞泵的文献检索和专利检索方向常见的柱塞泵的柱塞副密封主要是对原有密封结构进行优化设计，以达到减少内泄露的目的。优化的指标有密封槽的高度、角度、宽度等结构参数、密封圈的组合形式、密封圈的数量、密封圈的种类等。以上优化改进方法，只是针对单一应用场景，但缺少相关可靠性评估指标衡量优化后整个系统的可靠度。杨煜兵等人在《基于响应面法的柱塞泵迷宫密封优化设计》中基于响应面法优化柱塞处密封，主要选取密封槽尺寸参数为优化变量，以泄漏量为优化目标，同时分析各个参数对泄漏量的影响。卢洪志等人在《延长PZNB-260/5型柱塞泵密封函使用寿命的改造措施》通过改进PZNB-260/5型柱塞泵柱塞处密封件的排列顺序、材质和尺寸参数提高整个柱塞泵的使用寿命。

在轴向柱塞泵设计阶段，根据实际的应用场景，合理有效的选用密封圈的数量和设计密封圈的组合形式是非常重要的。因此需要一种合理有效的可靠性评估方法，判断出不同组合密封圈和不同密封圈种类的密封性能，筛选出合适的密封圈种类和密封组合，应用到不同的轴向柱塞泵，从而提升液压系统的稳定性和可靠性，到达节省时间成本、人力成本和节省实验经费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴向柱塞泵柱塞副串联组合密封可靠性评估方法，以解决上述背景技术中提出的问题，针对目前柱塞泵柱塞副密封多种串联组合形式和结构的情况，提供一种考虑多种失效形式和全寿命评估轴向柱塞泵的可靠性方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种轴向柱塞泵柱塞副串联组合密封可靠性评估方法，包括以下步骤：

(1)首先确定密封圈的材料退化曲线，通过材料退化曲线间接反应密封圈随工作时间增加的劣化过程。

(2)根据调研分析，辨识缸套与柱塞之间的密封间隙的概率分布规律。

(3)第一级主密封工作油压取柱塞泵在正常工作期间的最大值即边界条件油压，根据密封间隙的分布，通过仿真软件分析计算第一级密封斯特封橡胶O形圈所承受的最大压应力值，斯特封阶梯环承受的最大压应力值；第二级密封O形圈承受的最大压力值。

(4)根据给定的尺寸参数条件，基于三维建模软件，构建柱塞泵缸套与柱塞密封的模型，得出柱塞泵缸套与柱塞副串联密封结构可靠性模型。

(5)将所述柱塞泵缸套与柱塞密封的三维模型导入有限元软件，将上述边界条件油压、密封间隙、材料退化参数设定完成，分析单柱塞与缸套之间的密封圈最大接触应力和承受最大压应力。

(6)将步骤(5)上述密封圈最大接触应力和承受最大压应力作为有限元分析的输出，再根据密封圈材料失效准则与密封失效两种失效判断准则评估第一级、第二级密封结构可靠性指标；最后将所述第一级、第二级密封结构可靠性指标输入到所述柱塞泵缸套与柱塞副串联密封结构可靠性模型，定量评估可靠性指标。

上述步骤(4)中所述柱塞泵缸套与柱塞副串联密封结构可靠性模型根据相应的公式计算得出。

进一步，材料失效判断准则：橡胶密封圈自身的极限应力存在时，其会受到一定程度的压应力，压应力过大时会导致密封圈发生失效，密封圈将不能再用。密封失效准则为接触压力小于工作油压，则密封失效。

进一步，步骤(1)中所述密封圈的材料退化曲线一般采用两参数Mooney-Rivlin模型，分为橡胶材料退化曲线和斯特封的阶梯环的退化曲线，所述斯特封是由橡胶O形圈与填充聚四氟乙烯(PTFE)阶梯环组成。

所述步骤(6)中的第一级密封的密封可靠性如下所述。

第一级密封材料可靠性：

当材料承受的应力值大于材料本身的极限应力，此时密封失效。因此，当斯特封的O形橡胶圈和填充聚四氟乙烯阶梯环的任意一个密封件的应力值小于材料本身的材料极限应力值，能正常密封。即两者同时不失效，才能满足材料密封准则；

其中，σ_lim橡胶密封圈材料极限应力，斯特封阶梯环填充聚四氟乙烯材料极限应力，/>斯特封的O型圈承受的最大压应力，/>斯特封的阶梯环承受的最大压应力。

其中，表示为材料未失效，密封间隙的Δd最大值。/>表示为材料未失效，密封间隙的Δd最小值。

保证第一级材料可靠性的程度下Δd的区间

第一级密封的密封可靠性：

其中，表示为材料未失效，密封间隙的Δd最大值，/>表示为材料未失效，密封间隙的Δd最小值；

保证材料可靠性和密封可靠性的足够程度下Δd的区间

Δd_R1＝Δd_Rs1∩Δd_Rs2＝[Δd_smin,Δd_smax]

第一级密封系统可靠性为:

所述步骤(6)中所述第二级密封的O形圈承受的密封间压力为作为第一级密封的具有回油功能的斯特封密封可有效降低封间压力，使密封间压力不超过正常工作油压，二级密封系统的可靠性为：

其中，Δd_omax表示为密封未失效，密封间隙的Δd最大值。Δd_omin表示为密封未失效，密封间隙的Δd最小值。

进一步，所述柱塞泵缸套与柱塞串联组合密封的可靠性：

其中，Q是串联密封结构的不可靠性，Q_k是串联密封结构的第k级密封的不可靠性，R_k是k级密封的可靠性。

本发明主要关键技术：密封件竞争失效对单密封的影响、串联组合密封结构可靠性评估模型和工况、尺寸参数对密封效果的影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明针对当前轴向柱塞泵柱塞处密封，提出了一种基于仿真的轴向柱塞泵串联组合密封全寿命可靠性评估方法，用于准确评估柱塞泵柱塞处，不同结构尺寸，不同密封圈组合形式，不同密封圈材料和多失效模式的密封装置的可靠性。

本发明与现有技术方法相比，能拓展至不同工况下，不同轴向柱塞泵的柱塞副密封的可靠性评估，同时考虑到密封装置的全寿命和多失效模式。为后期轴向柱塞泵柱塞处密封提供较准确的全寿命多失效模式的可靠性评估方法。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明的密封圈橡胶材料参数退化曲线示意图。

图3为密封圈斯特封的阶梯环的退化曲线示意图。

图4为柱塞泵柱塞副处密封几何模型示意图。

图中：1、接触点，2、接触点，3、接触点，4、接触点，5、接触点，01、缸套，02、O型圈，03、柱塞，04、PTFE阶梯环，05、O型圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图4，本发明提供一种技术方案:

一种轴向柱塞泵柱塞副串联组合密封可靠性评估方法，包括以下步骤：

(1)首先确定密封圈的材料退化曲线，通过材料退化曲线间接反应密封圈随工作时间增加的劣化过程。

(2)根据调研分析，辨识缸套与柱塞之间的密封间隙的概率分布规律。

(3)第一级主密封工作油压取柱塞泵在正常工作期间的最大值，根据密封间隙的分布，通过仿真软件分析计算第一级密封斯特封橡胶O形圈所承受的最大压应力值，斯特封阶梯环承受的最大压应力值；第二级密封O形圈承受的最大压力值。

(4)根据给定的尺寸参数条件，基于三维建模软件，构建柱塞泵缸套与柱塞密封的模型，得出柱塞泵缸套与柱塞副串联密封结构可靠性模型。

(5)将所述柱塞泵缸套与柱塞密封的三维模型导入有限元软件，将上述边界条件油压、密封间隙、材料退化参数设定完成，分析单柱塞与缸套之间的密封圈最大接触应力和承受最大压应力。

(6)将步骤(5)上述密封圈最大接触应力和承受最大压应力作为有限元分析的输出，再根据密封圈材料失效准则与密封失效两种失效判断准则评估第一级、第二级密封结构可靠性指标；最后将所述第一级、第二级密封结构可靠性指标输入到所述柱塞泵缸套与柱塞副串联密封结构可靠性模型，定量评估可靠性指标。

材料失效判断准则：橡胶密封圈自身的极限应力存在时，其会受到一定程度的压应力，压应力过大时会导致密封圈发生失效，密封圈将不能再用。密封失效准则为接触压力小于工作油压，则密封失效。

首先根据材料退化曲线，橡胶属于非线性材料，一般采用两参数Mooney-Rivlin模型，材料退化曲线如图2所示。斯特封是由橡胶O形圈与填充聚四氟乙烯(PTFE)阶梯环组成。斯特封的阶梯环的退化曲线如图3。工作油压根据实际工作情况，取正常工作最大油压根据密封间隙Δd的分布，通过仿真软件分析计算第一级密封斯特封橡胶O形圈所承受的最大压应力/>值，斯特封阶梯环承受的最大压应力/>值。第二级密封O形圈承受的最大压力/>值。因此可以得到Δd与/>和/>的关系。分别拟合曲线，得到其与Δd函数关系。同时通过有限元软件可以得到斯特封和第二级密封圈接触压力值。如图4结构示意图，设备包括缸套01，O型圈02，柱塞03，PTFE阶梯环04和O型圈05。分别取接触点1、接触点2、接触点3、接触点4与接触点5五处的最大接触压力值，然后取这几种中最小值。根据材料失效和密封失效准则评估密封是否失效。

密封圈材料失效准则：橡胶密封圈自身的极限应力存在时，其会受到一定程度的压应力，压应力过大时会导致密封圈发生失效，密封圈将不能再用。因此材料失效判据为：

σ_max>σ_lim (1)

式中：σ_lim密封圈自身极限极限应力；σ_max密封圈橡胶所受的最大压应力；

考虑密封圈材料特性退化规律，在不同时刻，橡胶材料自身极限极限应力不同，从而判断密封圈是否失效。

密封失效准则：接触压力小于工作油压，则密封失效。

本文以第一级密封为例，密封圈与导向套凹槽的接触应力，密封圈与活塞杆的接触应力小于油压时，密封失效。

其中，是阶梯环与活塞杆处最大接触应力；/>是斯特封与凹槽底部最大接触应力；/>是斯特封的O形环与阶梯环的最大接触应力；/>是/>三处接触应力的最小值；/>为最大工作油压。

以下具体介绍评估柱塞泵缸套与任意一柱塞的柱塞副的密封可靠性。

(1)第一级密封斯特封可靠性

第一级密封材料可靠性

当材料承受的应力值大于材料本身的极限应力，此时密封失效。因此，当斯特封的O形橡胶圈和填充聚四氟乙烯阶梯环的任意一个密封件的应力值小于材料本身的材料极限应力值，能正常密封。即两者同时不失效，才能满足材料密封准则。

其中，σ_lim橡胶密封圈材料极限应力，斯特封阶梯环填充聚四氟乙烯材料极限应力；/>斯特封的O型圈承受的最大压应力，/>斯特封的阶梯环承受的最大压应力。

其中，表示为材料未失效，密封间隙的Δd最大值。/>表示为材料未失效，密封间隙的Δd最小值。

保证第一级材料可靠性的程度下Δd的区间

第一级密封的密封可靠性

其中，表示为密封未失效，密封间隙的Δd最大值。/>表示为密封未失效，密封间隙的Δd最小值。

保证材料可靠性和密封可靠性的足够程度下Δd的区间

Δd_R1＝Δd_Rs1∩Δd_Rs2＝[Δd_smin,Δd_smax] (8)

第一级密封系统可靠性为:

(2)第二级密封可靠性

第二级密封的O形圈承受的密封间压力为作为第一级密封的具有回油功能的斯特封密封可有效降低封间压力，使密封间压力不超过正常工作油压。对于二级密封，分析方法与第一级密封相同。第二级密封系统的可靠性为：

其中，Δd_omax表示为密封未失效，密封间隙的Δd最大值。Δd_omin表示为密封未失效，密封间隙的Δd最小值。

(3)柱塞泵缸套与柱塞副串联密封结构可靠性

上述步骤(4)所述的柱塞泵缸套与柱塞副串联密封结构可靠性模型是通过以下公式(11)-(12)得出，具体如下：

串联密封结构是应用于柱塞泵柱塞副密封的冗余技术，其逻辑关系是并联。柱塞泵柱塞副为串联密封结构以有效地提高密封效果。此时，只有当柱塞副串联密封结构的两个密封圈都失效时，该柱塞副密封系统才会失效。柱塞泵缸套与柱塞串联组合密封的可靠性：

其中Q是串联密封结构的不可靠性。Q_k是串联密封结构的第k级密封的不可靠性。R_k是k级密封的可靠性。R是整个系列密封结构的可靠性；

R＝R_s+R_o-R_sR_o (12)

在t＝0时，获得了柱塞副串联密封结构的可靠度。在t＝t₀,t₁,…,t_n时，重复上述计算可得出串联组合密封随工作时间变化的可靠性。

本发明以液压元件轴向柱塞泵的柱塞副串联密封结构为例，说明所提出的基于仿真的轴向柱塞泵串联组合密封可靠性评估方法的有效性。在评估方法过程中，考虑正常工作油压的最大值，实际生产和加工参数对缸套与柱塞之间的密封间隙影响，密封圈材料退化趋势，密封圈组合形式和数量，同时考虑密封竞争失效对整体密封系统的影响。为当前柱塞泵柱塞处密封可靠性评估提供一种定量计算方法。

本发明针对当前轴向柱塞泵柱塞处密封，提出了一种基于仿真的轴向柱塞泵串联组合密封全寿命可靠性评估方法，用于准确评估柱塞泵柱塞处，不同结构尺寸，不同密封圈组合形式，不同密封圈材料和多失效模式的密封装置的可靠性。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种轴向柱塞泵柱塞副串联组合密封可靠性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)首先确定密封圈的材料退化曲线，通过材料退化曲线间接反应密封圈随工作时间增加的劣化过程；

(2)根据调研分析，辨识缸套与柱塞之间的密封间隙的概率分布规律；

(3)第一级主密封工作油压取柱塞泵在正常工作期间的最大值即边界条件油压，根据密封间隙的分布，通过仿真软件分析计算第一级密封斯特封橡胶O形圈所承受的最大压应力值，斯特封阶梯环承受的最大压应力值；第二级密封O形圈承受的最大压力值；

(4)根据给定的尺寸参数条件，基于三维建模软件，构建柱塞泵缸套与柱塞密封的模型；

(5)将所述柱塞泵缸套与柱塞密封的三维模型导入有限元软件，将上述边界条件油压、密封间隙、材料退化参数设定完成，分析单柱塞与缸套之间的密封圈最大接触应力和承受最大压应力；

(6)将步骤(5)中密封圈最大接触应力和承受最大压应力作为有限元分析的输出，再根据密封圈材料失效准则与密封失效两种失效判断准则评估串联密封结构可靠性指标,最后将可靠性指标数据输入到可靠性模型，定量评估可靠性指标；

步骤(1)中所述密封圈的材料退化曲线采用两参数Mooney-Rivlin模型，分为橡胶材料退化曲线和斯特封的阶梯环的退化曲线，所述斯特封是由橡胶O形圈与填充聚四氟乙烯(PTFE)阶梯环组成；

所述步骤(6)中的第一级密封的密封可靠性：

第一级密封材料可靠性

当材料承受的应力值大于材料本身的极限应力，此时密封失效，当斯特封的O形橡胶圈和填充聚四氟乙烯阶梯环的任意一个密封件的应力值小于材料本身的材料极限应力值，能正常密封；

其中，σ_lim橡胶密封圈材料极限应力，斯特封阶梯环填充聚四氟乙烯材料极限应力，/>斯特封的O型圈承受的最大压应力，/>斯特封的阶梯环承受的最大压应力；

其中，表示为材料未失效，密封间隙的Δd最大值,/>表示为材料未失效，密封间隙的Δd最小值；

保证第一级材料可靠性的程度下Δd的区间

第一级密封的密封可靠性

其中，/>

是阶梯环与活塞杆处最大接触应力；/>是斯特封与凹槽底部最大接触应力；是斯特封的O形圈与阶梯环的最大接触应力；/>是/>三处接触应力的最小值；/>为最大工作油压；

其中，表示为密封未失效，密封间隙的Δd最大值，/>表示为密封未失效，密封间隙的Δd最小值；

保证材料可靠性和密封可靠性的足够程度下Δd的区间Δd_R1＝Δd_Rs1∩Δd_Rs2＝[Δd_smin,Δd_smax]

第一级密封系统可靠性为:

二级密封系统的可靠性为：

其中，Δd_omax表示为密封未失效，密封间隙的Δd最大值；Δd_omin表示为密封未失效，密封间隙的Δd最小值；

所述柱塞泵缸套与柱塞串联组合密封的可靠性模型为：

其中，Q是串联密封结构的不可靠性，Q_k是串联密封结构的第k级密封的不可靠性，R_k是k级密封的可靠性。