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　　摘 要：針對某煤炭企業(yè)液壓支架立柱泄漏、保壓效果差的問題，借助 ABAQUS 仿真計算軟件，開展了失效原因分析與改進工作。結(jié)果表明，預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)時 Y 形圈主唇口和副唇附近存在應(yīng)力峰值是導(dǎo)致立柱泄漏、保壓效果差的主要原因。通過改進 O 形彈性體線徑尺寸，由 Φ3.5 mm 提高到 Φ6.99 mm，再次仿真計算得出，相較于改進之前，O 形彈性體線徑的增大，降低了預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)時 Y 形圈主唇口和副唇附近的應(yīng)力峰值，改進。

　　關(guān)鍵詞：液壓支架 失效原因分析 改進

　　引言

　　液壓支架作為煤炭綜采工作面的關(guān)鍵支護設(shè)備^[1]，其工作的安全性和可靠性直接關(guān)系著井下礦工的安全及煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)注^[2-3]。密封件作為煤炭液壓支架的重要組成部分，如、、等，其性能好壞決定著液壓支架能否輸出足夠的支撐力與穩(wěn)定保壓，滿足煤炭綜采工作面的支護要求^[4]。市面上液壓支架密封件多種多樣，但性能相差巨大，的技術(shù)和使用壽命遠遠高于國產(chǎn)，有必要進行深入的研究工作以便提高我國密封件制造技術(shù)水平^[5-6]。

　　1 密封件失效問題

　　液壓支架密封件雖然體積不大、價錢較為便宜，但被廣泛應(yīng)用于液壓支架的立柱、平衡千斤頂、推移千斤頂?shù)纫簤航Y(jié)構(gòu)件中，除了起到密封保壓之外還要配合活塞桿的升降動作，是液壓支架實現(xiàn)功能動作的基礎(chǔ)，也是造成泄漏問題的主要原因。某煤炭企業(yè)液壓支架立柱額定工作壓力約為 31.5 MPa，介質(zhì)為乳化液，工作溫度范圍為 -20~80 ℃，要求加載之后壓力腔鎖閉，檢測壓力腔初始 1 min 內(nèi)的壓降不能超過 10%，但是在實際工程應(yīng)用過程中立柱出現(xiàn)了泄漏、壓降較大，壓降達到了 18%，保壓效果較差的問題，嚴重影響了液壓支架的使用性能，給綜采工作面內(nèi)部人員和設(shè)備的安全造成了極大的威脅。

　　2 密封件失效原因的分析

　　出現(xiàn)液壓支架立柱泄漏、保壓效果差的問題之后組織相關(guān)專業(yè)人士對其進行了分析，找出問題原因。立柱液壓缸觀察結(jié)果顯示，液壓支架立柱液壓缸表面存在明顯的乳化液泄漏情況，由此可以推斷保壓較差原因不是活塞密封失效引起的。之后將立柱液壓缸拆卸，得到活塞桿密封件，為 Y 形圈 +O 形彈性體 + 擋圈的組合結(jié)構(gòu)，應(yīng)用溝槽斷面尺寸為 12.5mm×20 mm，O 形彈性體線徑為 Φ3.5 mm，相關(guān)研究表明，Y 形圈與 O 形彈性體的搭配比例對于密封性能影響作用明顯，一旦搭配比例不當(dāng)就會導(dǎo)致密封位置泄漏，使液壓缸內(nèi)的壓力降低，保壓效果大大降低，故而出現(xiàn)了立柱保壓效果差的問題。為了確定液壓支架密封件失效的原因，借助 ABAQUS 有限元仿真分析軟件，對立柱密封件工作狀態(tài)進行仿真計算。

　　2.1 有限元模型的建立

　　依據(jù)立柱密封件結(jié)構(gòu)尺寸，利用 SolidWorks 三維建模軟件完成+O形彈性體+擋圈的三維模型，另存為.igs 文件。將密封件三維模型導(dǎo)入ABAQUS 仿真計算軟件進行材料屬性的設(shè)置，其中Y 形圈的材料為 NB308，O 形彈性體材料為 PU2，擋圈材料為 POM，直接由 ABAQUS 仿真計算軟件的材料庫調(diào)用。之后運用自由劃分網(wǎng)格的方法進行網(wǎng)格劃分，Y 形圈和 O 形彈性體設(shè)置四結(jié)點雙線性軸對稱四邊形雜交單元 CAX4RH，擋圈設(shè)置四結(jié)點雙線性軸對稱四邊形單元 CAX4R，網(wǎng)格劃分結(jié)果如下頁圖 1 所示。

　　2.2 載荷施加與約束條件設(shè)置

　　將活塞桿設(shè)置為固定約束，不存在位移值，設(shè)置立柱套筒為位移約束，用于模擬實際密封件的預(yù)壓縮狀態(tài)。根據(jù)液壓支架立柱液壓油缸的實際工作情況，設(shè)置密封件承壓一側(cè)為壓應(yīng)力載荷，大小為 31.5MPa。之后進行立柱密封件約束的施加，對密封件與套筒接觸的表面設(shè)置表面接觸，要求不發(fā)生嵌入或者穿透等情況。完成液壓支架立柱密封件載荷施加與約束條件設(shè)置之后即可調(diào)用 ABAQUS 有限元仿真計算軟件自帶求解器進行有限元分析計算。

　　2.3 仿真計算結(jié)果與分析

　　運用 ABAQUS 仿真計算軟件完成線徑 Φ3.5mm 活塞桿密封結(jié)構(gòu)仿真計算，調(diào)取密封件初始預(yù)壓狀態(tài)和工作狀態(tài)的應(yīng)力分布云圖，如圖 2 所示。為了直觀準(zhǔn)確地獲取活塞桿密封件與立柱套筒接觸面上的應(yīng)力分布狀態(tài)，提取了接觸面剖面外輪廓上的應(yīng)力分布曲線，如圖 3 所示。

　　由圖 3 密封件外圓周應(yīng)力分布曲線可以看出，在活塞密封件預(yù)壓過程中，Y 形圈的主唇口和副唇的位置存在較大的接觸應(yīng)力，數(shù)值分別為 48 MPa 和45 MPa。在活塞密封件承受 31.5 MPa 的工作壓力狀態(tài)下，Y 形圈的主唇口和副唇的位置存在較大的接觸應(yīng)力，數(shù)值分別為 66 MPa 和 117 MPa。密封件所受接觸應(yīng)力越大，實際應(yīng)用過程中的變形就越大，使得 O 形彈性體產(chǎn)生較大的接觸變形，進而過早的出現(xiàn)變形，降低 O 形彈性體使用過程中的密封性能，嚴重了就出現(xiàn)了泄漏問題。

　　3 密封件結(jié)構(gòu)的改進

　　3.1 密封件結(jié)構(gòu)的改進方法

　　液壓支架活塞密封件出現(xiàn)泄漏密封效果變差的原因是當(dāng)前密封件與立柱套筒之間存在較大的變形應(yīng)力，二者之間配合較緊，使 Y 形圈 +O 形彈性體 +擋圈的組合密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變形，尤其是起密封作用的 O 形彈性體，在較大的變形下會失去原有彈性，導(dǎo)致其過早失效，高壓乳化液會沿套筒與密封件縫隙滲出，產(chǎn)生泄漏。此處從 O 形彈性體的線徑出發(fā)進行密封件結(jié)構(gòu)改進，將 O 形彈性體的線徑由 Φ3.5 mm 提高到 Φ6.99 mm，保證密封圈結(jié)構(gòu)尺寸不變，相對地減小 Y 形圈的厚度，以便提高密封件的密封性能。

　　3.2 改進效果的驗證

　　對改進之后的活塞桿密封件進行有限元仿真計算，前處理過程同原仿真過程，調(diào)取活塞桿密封初始預(yù)壓縮狀態(tài)和工作狀態(tài)下的應(yīng)力狀態(tài)分布云圖，如下頁圖 4 所示。同樣提取兩種狀態(tài)下活塞桿內(nèi)圓面的應(yīng)力分布曲線，結(jié)果如下頁圖 5 所示，預(yù)緊狀態(tài)時存在兩個應(yīng)力峰值，出現(xiàn)在 Y 形圈主唇口和副唇附近，應(yīng)力值分別為 35 MPa、37 MPa;工作狀態(tài)時同樣存在兩個應(yīng)力峰值，出現(xiàn)在 Y 形圈主唇口和副唇附近，應(yīng)力值為 47 MPa、109 MPa。

　　與活塞桿密封改進之前相比較，增大 O 形圈線徑降低了 Y 形圈主唇口和副唇附近的應(yīng)力峰值，有利于提高密封件的使用壽命和密封性能，起到了較好的改進效果。

　　4 結(jié)論

　　1)在預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)時，Y 形圈主唇口和副唇附近存在應(yīng)力峰值，立柱泄漏、保壓效果差的原因是工作過程中 O 形彈性體承受較大接觸應(yīng)力，接觸變形過大，出現(xiàn)了變形。

　　2)在密封件結(jié)構(gòu)尺寸不變的前提下，將 O 形彈性體線徑由 Φ3.5 mm 提高到 Φ6.99 mm 之后，仿真計算結(jié)果表明，降低了預(yù)緊狀態(tài)和工作狀態(tài)時 Y 形圈主唇口和副唇附近存在應(yīng)力峰值，取得了很好的改進效果。

　　參考文獻

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