叶片式液压摆动油缸多弹性体混合密封的理论与实验研究

Research on seals of rotator vane actuator(RVA) is a hard work, because there are many technical difficulties: first, a vane seal is not axisymmetric and is more complex than a ring seal. Second, the EHL film forms hardly in the sealing surface of a rotating seal ring. Final, there are interference intersection between the vane seals and the rotating seal rings, therefore the seal system of RVA is a very complex multi-elastomer mixed one. This project uses synthetically interface coupling mechanics, fluid mechanics, lubrication fluid rheology and elastic mechanics, tribology to study the complex sealing system, and to establish the contact pressure mathematical model of rotational symmetry structure of the complex section vane seal surface. Research includes: seal extrusion and anti-extrusion, sealing surface lubrication condition and oil film distribution, leakage and friction calculation. Algebraic equations will be developed to describe oil film thickness and friction force in sealing surface, theory optimize model of RVA seal design will be built, and experiments will be implemented to evaluate the performance of the seal system. This research will provide theory guide for seal design of high pressure and large torque RVA.

叶片式液压摆动油缸的密封研究存在诸多技术难点：非轴对称形状的叶片密封远比环形密封复杂；旋转密封圈的密封表面难以形成流体动力润滑；叶片密封与旋转密封存在过盈相交，形成复杂的多弹性体混合密封系统。本项目综合运用界面耦合力学、流体力学、润滑液流变学、弹性力学、摩擦学等知识，以摆缸多弹性体混合密封系统为研究对象，克服弹性橡胶受力分析面临的三重非线性困难，建立非轴对称结构的复杂截面叶片密封表面接触压力数学模型；开展密封挤出及其防止研究；分析密封面润滑状态与油膜分布规律，构建密封面泄漏量、摩擦力的理论计算公式，提出一种密封表面油膜厚度与摩擦力建模与求解的新方法；以机械效率和容积效率为优化目标，建立摆动油缸密封设计的理论模型。进行密封性能评价实验，验证和完善前述模型。本项目采用理论分析、数值模拟、实验测试与工程设计相结合的研究方法，为开发具有自主知识产权的高性能高压大扭矩叶片式液压摆动油缸提供理论支撑。

高压大扭矩叶片式液压摆动油缸在诸多重要领域具有广泛的应用前景，但摆缸的密封系统面临极其复杂的问题。本研究项目建立了非轴对称结构的复杂截面复合叶片密封、端面密封圈及两者之间的多弹性体偶合表面接触压力、变形和挤出的数学模型，分析了预压缩量、液压油压力、材料特性、密封结构及装配尺寸等影响；运用弹性力学理论，基于瞬态平均Reynolds方程与Greenwood微凸体接触模型，建立密封表面瞬态流体动压润滑模型，研究了密封表面粗糙对接触压力、密封面油膜厚度分布、摩擦力等的影响；开展了密封偶合件表面形貌特征对密封面摩擦系数的影响研究，获取了相关实验数据；建立了叶片密封二维平面温度场数值模型，研究了叶片密封在摩擦生热和机械滞后生热双重效应作用下温度场的分布。针对端面密封圈在样机试验中频繁出现的“拱起失效”现象，开展了仿真研究，揭示了拱起失效机理，提出了新型端面密封圈抗拱起结构设计，较好地解决了这一问题；研制了基于柱坐标的密封圈3D打印机，解决了复杂截面端面密封圈单件小批量生产面临的工艺难题；针对裁制叶片密封存在精度较低、成本偏高问题，改进了叶片密封设计思路，使叶片密封可以直接采用标准O型圈。经过四年持续研究，解决了高性能高压大扭矩叶片式液压摆动油缸密封系统面临的各项难题，为其工程应用打下了坚实的基础。