一种轴向柱塞泵柱塞副串联组合密封可靠性评估方法

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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、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：

4、(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。

5、(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。

6、(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。

7、(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。

8、(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。

9、(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串联密封结构可靠性指标。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。

10、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。

11、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。

12、所述步骤(6)中的第一级密封的密封可靠性如下所述。

13、第一级密封材料可靠性：

14、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；

15、

16、其中，σlim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。

17、

18、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。

19、保证第一级材料可靠性的程度下δd的区间

20、

21、第一级密封的密封可靠性：

22、

23、

24、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；

25、保证材料可靠性和密封可靠性的足够程度下δd的区间

26、δdr1＝δdrs1∩δdrs2＝[δdsmin,δdsmax]

27、第一级密封系统可靠性为:

28、

29、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：

30、

31、其中，δdomax表示为密封未失效，密封间隙的δd最大值。δdomin表示为密封未失效，密封间隙的δd最小值。

32、进一步，所述柱塞泵缸套与柱塞串联组合密封的可靠性：

33、

34、其中，q是串联密封结构的不可靠性，qk是串联密封结构的第k级密封的不可靠性，rk是k级密封的可靠性。

35、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。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

37、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。

38、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。