柱塞泵密封圈接触应力的有限元分析

柱塞泵中的密封圈多采用V型橡胶密封圈，是典型的往复式柔性密封。虽然人类对往复式柔性密封的研究有几十年的历史，但是至今对它的认识还很不够。许多学者发现，在密封的往复行程中，在唇口与密封表面间有一层油膜，使摩擦系数下降。60年代以后，随着流体动压润滑理论的发展，奥地利的H.Blok认为密封面的润滑问题可设想为滑动轴承流体动压润滑的逆问题，即假设已知压力分布，然后应用雷诺方程来计算油膜厚度、速度分布、剪切应力、泄漏量与摩擦力。为求得密封表面合理的薄膜形状，首先需要解决的问题是密封柔性元件与刚性表面间的压力分布曲线。可见，对于柱塞密封圈润滑机理的研究，首先应从柱塞与密封圈间接触应力的确定着手。但是由于结构和载荷的复杂性，要求得理论解往往是很困难的。采用有限单元法来计算橡胶密封圈与柱塞间的接触应力是一种有效的方法。 1 柱塞密封圈结构

如图1所示，柱塞1受到约束只能作直线往复运动；柱塞密封后压帽2对密封起压紧调节作用；密封体部分由三道橡胶密封圈7和三道PTFE垫环8相间叠置组成，这种结构能保证密封圈依次工作，即当第一道密封圈失去作用后，压差传至第二道密封圈，第二道密封圈也能够起到密封作用，从而提高总的寿命；支承环6是支承V型密封圈的重要部件；压环9的作用是给V型密封圈形成初始压缩量，使其与密封面充分接触，压环的端面宽度应该较腔体宽度稍小，它与柱塞间的间隙约为0.12～0.20mm，这样压力更好地作用于密封唇使其充分张开；密封函体上的小孔5是强制润滑油的入口。显然不干净的泵送液体对密封起损坏作用，国内外生产的柱塞泵对此采用的措施：在密封函体上的小孔5注入机油，机油的注入压力略高于整台泵的灌注压力。其目的是除了为柱塞与密封件之间提供良好的润滑外，更重要的是在柱塞与密封件之间形成一高压油膜，阻止不干净的压裂液(工作介质)进入密封间隙，对密封件起保护作用。