仿生非光滑油缸密封圈的减阻特性研究

摘要

油缸作为液压技术中不可或缺的执行元件，其密封圈密封性能和摩擦阻力是制约着液压技术发展的关键因素。因此，提高密封性能的同时减小摩擦阻力，对提高密封圈使用寿命和油缸工作效率有着重要的工程实际意义。将仿生学原理及减阻技术应用到橡胶圈密封技术中达到减小密封接触物体之间的摩擦阻力和节约能源的目的已经成为一种崭新的研究领域。
　　本文从仿生学角度出发，以黄缘真龙虱等体表特征的非光滑表面形态为生物原型，以活塞油缸密封圈为研究对象，建立具有仿生凹坑三角形组合的非光滑表面密封圈密封及减阻特性的物理模型和数值分析模型。
　　采用ABAQUS软件对光滑与非光滑表面橡胶密封圈的密封性能分别进行数值计算，分析在不同压缩量时密封圈的变形和应力分布情况。计算结果表明，当压缩率为20％时，光滑和非光滑表面密封圈产生的有效应力都达到了油缸工作的介质压力3.5MPa，满足了油缸密封圈的密封性能。
　　对仿生凹坑三角形组合的非光滑表面密封圈的减阻特性进行研究，确定了模型的运动参数和初始条件；研究了不同凹坑大小对非光滑表面减阻性能的影响，同时也分析了不同活塞运动速度对减阻性能的影响。计算结果表明，在活塞速度一定的情况下凹坑直径为1.5mm时减阻率达到最大；在凹坑直径一定的情况下，减阻率随着初始速度的增大而不断变大，在速度为0.6m/s时非光滑表面具有较好的减阻效果。
　　最后，通过LS-DYNA软件对密封圈的储油凹坑进行了流固耦合分析，建立合理的数值计算模型，对凹坑底部储存的润滑油液面进行动态分析，研究了储油凹坑对橡胶密封圈与缸体接触表面润滑性能的影响。
　　本文的研究结果表明，合理的非光滑接触表面在一定程度上减小了密封圈的运动摩擦阻力，起到了减阻的效果。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 课题来源和研究意义

1.3 密封与减阻技术的研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 仿生非光滑表面数值仿真模型建立

2.1 凹坑形仿生非光滑表面的选择原则

2.2 油缸活塞的密封模型

2.3 数值模拟计算模型建立

2.4 数值计算方法选择和计算域确定

2.5 本章小结

第3章 仿生凹坑非光滑密封圈密封特性的仿真研究

3.1 橡胶密封圈密封失效准则

3.2 橡胶弹性体的本构理论

3.3 仿生凹坑组合非光滑密封圈密封特性研究

3.4 本章小结

第4章 仿生凹坑非光滑密封圈减阻特性的仿真研究

4.1 减阻分析的运动模型

4.2 减阻效果的评价标准

4.3 不同凹坑直径参数组合对减阻性能的影响

4.4 相对运动速度对非光滑表面减阻性能的影响

4.5 本章小结

第5章 储油凹坑动态性能分析

5.1 储油凹坑模型建立

5.2 数值计算理论应用

5.3 活塞运动时润滑油自由液面的形态变化

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢