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活塞类液压伺服组件压装工艺研究及改进

文:北京精密机电控制设备研究所 汤力 魏伊 袁克敌 杨艳丽 崔建 | 2019年第二期 (0) | (0)

    摘要:分析伺服机构配套活塞杆上复合密封结构的力学模型,采用有限元方法对压装过程中活塞杆密封叠加机构、密封并列结构和壳体密封叠加机构的压装参数进行仿真;设计引装、配合、调平工装,使压装进给过程中平滑过渡,并保证壳体轴线与压装力同轴;配合压装设备进行试验验证得到压装力与位移的对应关系使压装过程量化;对不同尺寸减磨圈进行试验,得到压力曲线可表征复合密封件切损状态的结论,证明了采用压装设备对伺服机构活塞类零件压装工艺方法的可靠性,提高压装精度和合格率,具有广泛的应用前景。

关键词:压装;密封;活塞杆

引言

    伺服作动器活塞杆是伺服机构对外做功的机械零件,其作用是将作动器两腔压差转化为作动器线位移输出[1]。活塞杆中间装有复合密封件,其结构属于动密封形式。装配时应保证其密封可靠性,一旦动密封失效,会影响伺服机构动态特性。活塞杆装配伺服作动器过程一直以来无量化参数控制工艺过程,传统操作方式是操作者用橡皮锤敲击装入或手工推入作动器的方法,敲击力度依赖操作者技能经验,且安装过程复合密封类零件的参数不易量化,极易切损,存在人为因素的不确定性,其质量为不可检项目[2]。本文研究采用数控压装设备对伺服作动器配套活塞杆进行压装的工艺方法,提出伺服机构活塞杆压装工艺判别方法,旨在使压装过程受控,提高装配质量。

1活塞杆压装过程机理分析

    某型电液伺服作动器包括壳体、活塞杆、支承座、位移传感器、伺服阀、压力传感器等。对活塞杆压装到壳体过程进行研究,由于密封圈为超弹性体不易模拟其受力过程,故对模型中的密封圈进行必要的假设及化简[3]。假设密封圈安装到密封槽内受到均匀的压缩,没有卷、拧的现象。采用密封圈的预紧力与由活塞杆与密封圈发生相对位移而产生的接触力相叠加的方式计算活塞杆与密封圈之间的接触力,并用一个等效的集中力代替密封圈沿其表面分布的接触力。在活塞杆与壳体、活塞杆与端盖的间隙处采用Hertz接触刚度并考虑阻尼效应的影响建立接触处的法向力-位移关系,采用修正的库伦摩擦模型建立碰撞接触处的切向力-位移关系模型[4]。

1.1接触力模型

    用弹簧模拟物体对变形的抵抗力,用阻尼模拟能量消散[5-7]。接触过程中产生的接触力与接触点相互侵入的深度和侵入的速度之间的关系式为

  (1)

    其中,是与接触点相互侵入的深度有关的弹性力;是与侵入速度有关的阻尼力。法向弹性接触力表达为侵入深度的幂函数,即

  (2)

    对于压装过程与密封圈相关的接触,式(2)中的参数通过有限元软件对密封圈的接触力进行计算分析,对接触力和侵入深度的函数关系进行拟合得到。

    对活塞杆与壳体的接触,根据赫兹弹性接触理论可计算出式(2)中的参数为:

  (3)

式中:k弹性系数;侵入深度;泊松系数;杨氏模量;轴和孔的半径。

非线性弹簧阻尼模型中的阻尼为表示为:

  (4)

其中,阻尼系数常取如下形式:

  (5)

式中:为切向速度,为阻尼系数。

1.2摩擦力模型

    摩擦力计算模型采用库伦摩擦模型。库伦摩擦定律认为摩擦力的方向与相对运动速度相反,其大小满足不等式。由于摩擦力的功率取最小值时,,摩擦力与相对速度的关系与库伦摩擦定律一致,由于摩擦系数的定义导致在速度正负转换时刻的数值积分困难,因此,修正摩擦力的模型为

  (6)

式中:摩擦系数;法向力;相对切向速度;动态修正系数。

1.3压装仿真分析

    伺服作动器壳体及活塞杆压装初始位置剖面图如图1所示。基于接触力和摩擦力模型利用有限元方法,对活塞杆压装过程中三个密封槽处的复合密封结构进行受力分析,即密封并列结构,壳体密封叠加结构和活塞杆密封叠加结构。

图1压装初始位置示意图

    壳体密封叠加结构是压装经过的第一道密封结构。该叠加结构密封在伺服作动器壳体上,由一组减磨圈-密封圈组成,因密封圈材料为丁腈,弹性模数为0.00784GPa,泊松系数为0.47,减磨圈材料为聚四氟乙烯,弹性模数为1.14~1.42GPa,密封圈弹性模数小于档圈,密封圈发生弹性形变,密封结构产生了与压装力相平衡的作用力,该作用力为接触力的法向力与摩擦力的和。压装距离为2.8mm时,密封圈受力云图如图2(a),变形阻力达到最大,约为52N;通过压装距离4mm后,受力云图如图2(b);

a)压装距离2.8mm

b)压装距离4mm

图2壳体密封叠加结构接触力与位移云图

    密封并列结构是压装经过的第二道密封结构。该并列结构密封在伺服作动器壳体上,由一组密封圈-挡圈组成,密封圈材料为丁腈,挡圈材料为聚四氟乙烯。当压装距离2.3mm时,密封圈受力云图如图3(a),活塞杆和壳体接触力与摩擦力合计达到约80N。通过压装距离4mm后,受力云图如图3(b);

a)压装距离2.3mm

b)压装距离4mm

图3壳体密封并列结构接触力与位移云图

    活塞杆密封叠加结构是压装过程经过的第三道密封结构。该叠加结构密封在活塞杆主活塞上,由一组密封圈-减磨圈叠加组成,压装距离共3mm。当压装距离2.3mm时,密封圈受力云图如图4(a),活塞杆和壳体内壁接触力与摩擦力合计达到约70N。压装经过3mm后,受力云图如图4(b)。

a)压装距离2.3mm

b)压装距离3mm

图4活塞杆密封叠加结构接触力与位移云图

2活塞杆压装试验研究

    采用精密数控压装设备进行压装,压装过程为定位移压装,根据位移传感器实测位移,按固定速率进给匀速压入,并实时监测正压力受力情况,得到位移与压装力对应关系[8]。

    活塞杆压装设计方案如下:①设计引装工装保证产品压装进给过程中复合密封结构不切损且活塞杆与壳体保持同轴,如图1所示。引装工装I内孔口尺寸Φ38mm保证与腔体一致,外孔口尺寸Φ44mm,保证压装进给过程中平滑过渡。引装工装II保护活塞杆螺纹,保证活塞杆顶端进给时平滑过渡;②通过设计压头和底座保证压装设备正压力与活塞杆同轴,同时限定壳体位置;③通过设计压盘和基座在压装进给时的自平衡动作,基座为凹面并安装压装设备底部平台接口,压盘球面直径为160mm,表面带刻度,可以进行球面调平。保证壳体轴线与正压力同轴,最终保证“三轴同一”,如图5所示。试验时,先将产品安装引装工装,再将壳体放入底座凹槽,然后操作压装设备进行自动压装,如图6所示。

图5活塞杆压装试验方案组合图

图6精密数控压装实物图

3活塞类零件压装试验验证

    测试10套伺服作动器和活塞杆进行压装试验如图7所示,实测出各个局部极值点,并得到了压装力的范围:

图7活塞杆压装力与位移曲线图

试验结果表明压装过程具有一致性,从图中可以看到摩擦力变化产生了5个峰值,压装过程分析如下:

    ①在3~7mm处产生了第一个峰值,由于作动器活塞杆顶端开始接触壳体上的密封叠加结构,因此产生了第一个峰值,应力约为45N~55N;通过压装距离为4mm后变形阻力消失,恢复滑动摩擦力约35N~40N;

    ②在13~16mm处产生了第二个峰值,由于作动器活塞杆顶端开始接触壳体上的密封并列结构,密封圈受到减磨圈挤压变形,压装力上升,因此在活塞杆顶端接触减磨圈的瞬间产生了一个极值点,应力为100N~135N;通过压装距离为4mm后变形阻力迅速消失,滑动摩擦力降到约70N,此后进入平稳滑动摩擦期;

    ③在23mm~26mm处产生了第三个峰值,此处由于壳体和引装工装的影响,活塞杆密封叠加结构进入壳体内,由于弹性形变与摩擦力相叠加产生了局部极值点,约为124N~145N;通过压装距离为3mm后变形阻力迅速消失,滑动摩擦力降到约90N,此后进入平稳滑动摩擦期;

    ④在36mm~37mm处产生了第四个峰值,此处活塞杆密封叠加结构经过壳体内斜孔进行密封圈的弹性形变释放后又被挤压,产生了极低点约为50N~75N和极高点约为120N~170N,该处为安全隐患点,通过该处曲线也能清楚的看到活塞杆密封叠加结构是否被切损;

   ⑤在44mm~47mm处产生了第五个峰值压力值趋于稳定,三处密封结构摩擦力作用在整个活塞杆上,约为260N~285N直至最后安装完毕。

综上,可以给出压装合格判据:

1.局部极值点对应的特征区间应清晰对应并可识别;

2.曲线走势应与试验结果大体一致,不应再有影响局部极值点的峰值存在;

3.每个特征区间对应的局部极值点的峰值力应在要求范围之内。

4对比试验验证

    为验证采用该方法得到判据的可靠性,验证减磨圈切损后压装曲线变化情况,订做特殊规格减磨圈,聚四氟乙烯减磨圈外径标准尺寸为mm,选取极限、平均尺寸和超差尺寸进行试验,并实测出整个峰值力,结果如下表1所示。

表1实际测量尺寸、过盈量及峰值力

经过试验,在尺寸范围内压装曲线符合图7中曲线趋势,超差结果曲线输出如下图8所示:

图8超差规格减磨圈对应活塞杆压装对应曲线

    试验结果表明,在合格尺寸内的复合密封件,均符合合格判据,但超差尺寸密封件前三个特征区间勉强可以辨认,第④时刻局部极值点峰值为1500N以上,此时密封件被切损。超差尺寸密封件切损后实物图如图9所示。

a)减磨圈切损实物图

b)活塞杆内密封圈切损实物图

图9超差尺寸密封件切损后实物图

5结论

    通过仿真和试验研究,发现采用精密数控压装设备进行压装可以模拟出压装过程中压装力与位移的变化趋势,对不同尺寸密封件压装曲线的对比,验证了该种方法可以监测密封件切损情况,通过压装曲线得到的压装力可作为活塞类零件压装的工艺判据。

参考文献

[1]郑大维.变速器装配压装工艺研究[D].合肥工业大学,2010.

[2]高立义.发动机活塞连杆压装模设计[J].汽车制造技术,2013,4,144-146.

[3]于润生.液压密封圈有限元分析与研究[D].天津理工大学,2012.

[4]钟柱,陈军,程靳,王兴贵,刘兵.液压伺服作动器密封圈的有限元分析[J].润滑与密封2010,9.Vol35,No9,31-35.

[5]钟柱.飞控系统液压作动器动态仿真及密封性能分析[D].哈尔滨工业大学,2010.

[6]张振岩,查宏民,丁昕,胡世广.偏航制动器压装滑阻气密检测系统研究[J].测控技术.2012,31.Vol5,No136-138.

[7]布图格奇.轴承压装仿真与试验以及液力变矩器导轮的热装配变形分析研究[D].浙江大学,2016.

[8]龚俊,杨东亚.斯特林发动机活塞杆密封结构与材料研究[D].兰州理工大学,2012.

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