Sealing Performance Analysis of O-rings for Directional Control Valves in Hydraulic Supports
液压支架换向阀用O形圈密封性能分析，Sealing Performance Analysis of O-rings for Directional Control Valves in Hydraulic Supports
液压支架阀用密封圈采用O形圈往复密封结构。O形圈的密封性能决定了液压支架阀控缸系统的可靠性。O形圈密封失效会导致液压阀内部腔体窜液、漏液,造成液压阀工作口无法正常开闭,使液压支架姿态难以控制。液压支架采用水基乳化液为介质,水基乳化液的配比浓度会对密封效果产生影响。为探究匹配不同工况的最佳配比,结合有限元分析与数值计算,对不同工况下往复摩擦力进行仿真分析。为验证仿真结果,设计并搭建了一种试验装置用于测量液压系统中往复密封结构的密封圈摩擦力。基于该新型试验装置,探究了不同介质浓度下阀芯往复运动摩擦力受工况因素影响的变化规律,由此确定了流体压力波动时的最佳介质浓度和摩擦力控制补偿策略。
O-ring reciprocating seal structures are adopted for the sealing rings of hydraulic support valves. The sealing performance of O-rings determines the reliability of the valve-controlled cylinder system of hydraulic supports. O-ring seal failure can cause fluid intermixing and leakage inside hydraulic valves, and lead to failures in the normal opening and closing of hydraulic valve working ports and poor attitude control of hydraulic supports. Water-based emulsion serves as the medium for hydraulic supports, and its concentration affects the sealing effect. To explore the optimal concentration for different working conditions, a simulation analysis of the reciprocating friction force under various working conditions is conducted by combining finite element analysis and numerical calculation. To validate the simulation results, an experimental device is designed and built to measure the friction force of sealing rings in reciprocating seal structures of hydraulic systems. Based on this novel experimental device, the variation law of valve core reciprocating friction force affected by working condition factors under different medium concentrations is investigated, and thus the optimal medium concentration and friction control compensation strategy under fluid pressure fluctuation are determined.
０ 引言
煤炭行业是我国能源供应的重要支柱，国内资源储量丰富且市场规模庞大。现有的液压支架系统采用的开关换向阀存在压力冲击大、流量不连续等缺点，影响综采工作面直线度、液压支架与围岩的耦合效果，不但影响开采效率，还存在安全隐患。比例阀可以有效解决这一问题。比例换向阀常使用成对的Ｏ形密封圈进行双向动静态密封，实现工作压力与流量准确调节、主阀芯位移和响应速度精确控制的功能。主阀芯在不同工况下进行往复运动时，密封圈产生的摩擦阻力随之发生变化，摩擦阻力的变化会导致阀芯在不同位置时需要的控制腔压力不同。如果控制腔压力是线性变化的，就无法与阀芯位移匹配，控制腔压力与阀芯位移的不匹配，可能导致阀芯产生滞后、爬行、抖动等问题，会直接影响工作口的供液，给液压系统带来不良影响。由此可见，揭示密封圈摩擦力变化规律并实现有效补偿，是提升比例阀控制性能的关键。但目前针对高压大流量工况下水基液压阀用密封圈的研究较为匮乏，难以给井下密封方法提供充足指导与参考。
在大型液压设备常用的先导式比例阀中，其先导级一般有电机、电磁铁、液控先导阀等。电机能够输出精确位移，不需要考虑摩擦力补偿的问题，但电机的高成本限制了其使用范围；电磁铁和液控先导阀输出电磁力或压力，导致摩擦力和液动力会对阀芯位移产生显著影响，需要进行摩擦力补偿。基于这点，从控制补偿角度来看，摩擦力的波动幅度比其数值大小更为关键，这也成为后续研究的核心切入点。
为了对摩擦力进行有效补偿，必须深入了解其在实际工况下的变化规律，而这一规律与工作介质的特性密切相关。水基乳化液具备防爆阻燃、清洁低污染等优点，在矿用液压系统中更具备优势。水基乳化液和油液本身的物理参数就存在一定差异，在液压系统中作为工作介质时，二者密封性能差别就更大，这种差异，主要体现在润滑性能和散热性能上。乳化液浓度变化也会影响密封效果，浓度过低会加剧密封件的磨损，浓度过高会增加橡胶材料的溶胀性，降低密封性能。廖瑶瑶等研究了不同截面的密封圈摩擦力数值大小会随着流体压力及往复速度变化的规律。陶志磊等通过有限元仿真和试验研究了不同体积分数的高水基乳化液介质对密封件摩擦性能的影响。WUDefa等基于弹性流体动力润滑（Elasto Hydro Dynamic Lubrication ,EHL）理论，开发了一种创新的混合润滑模型，用于往复水液压杆密封。然而，这些研究均未将摩擦力变化规律与控制补偿问题相结合，难以直接应用于液压阀的控制优化。
针对上述研究缺口与实际工况需求，设计并搭建了以水基乳化液为工作介质的液压往复密封结构试验装置，通过该装置研究不同工况条件对密封圈密封效果和摩擦力的影响，为水基液压系统中密封圈的设计优化、水基乳化液浓度配比和主阀芯控制补偿提供理论依据。
４ 验证试验
为了验证介质浓度４％是乳化液浓度最佳配比，对其进行摩擦力时变分析和使用寿命分析。
４.１ 摩擦力时变特性分析
往复速度取中间值200ｍｍ·ｓ－１，流体压力取中间值20ＭＰａ，仅改变介质浓度；保持往复运动2h，每隔5min采集一个值，记录往复摩擦力随运动时间发生的变化。用ｔ表示时间，不同介质浓度的摩擦力时变特性如图１４所示。
由图14可知，介质浓度为４％时的摩擦力曲线最为平稳。介质浓度１％、２％、３％、４％、５％时的摩擦力在运动过程中波动率分别为69.4％～121.1％、90.5％ ～112.4％、92.1％ ～111.8％、97.4％ ～105.2％、87.3％ ～133.2％，介质浓度为４％时的摩擦力在运动过程中波动率最小。
摩擦力时变的原因之一是接触界面热效应的滞后性。往复摩擦力的主要构成之一是黏性摩擦力，与介质黏度相关。介质黏性既受到介质浓度影响，也受到温度影响。摩擦力会导致密封界面产生热量，使温度升高；温度升高，导致接触界面的流体黏度减小和橡胶物理性能衰退，从而使摩擦力减小。摩擦力减小、产热减小、界面温度降低，导致流体黏度增大和橡胶物理性能恢复，又会使摩擦力增大，从而形成了一个个反向的热循环过程。摩擦力影响界面温度再反过来影响摩擦力的过程，可以称之为界面热效应。
但是热量的传递是需要时间的，从接触界面的摩擦力产热，到各结构及材料的散热，又反过来影响产热，需要一定时间，导致界面热效应具备延迟性和滞后性。若介质黏度一开始就与工况条件下的摩擦力比较匹配，则密封界面的产热与散热能力就会相对接近，界面热效应相对平衡，摩擦力时变因此比较轻微；若介质黏度与工况条件下的摩擦力的匹配较差，则密封界面的产热与散热能力就会相差过大，界面热效应相对剧烈，摩擦力会大幅度上升和下降，直至达成平衡，摩擦力时变因此十分显著。图14中，介质浓度4％时的黏度与该工况相对匹配，所以摩擦力曲线相对平稳；其余介质浓度下，黏度都会导致摩擦力曲线波动相对显著。
４.２ 寿命试验
在往复速度取中间值200ｍｍ·ｓ－１、流体压力取中间值２０ＭＰａ的情况下，仅改变介质浓度；保持往复运动直至密封失效，记录往复运动次数作为使用寿命的衡量依据。用Ｎ表示往复次数，不同介质浓度的密封圈使用寿命如图１５所示。由图１５可知，介质浓度为１％时密封圈的使用寿命最短；介质浓度为４％时密封圈的使用寿命最长。
４.３ 仿真－试验对比验证
为进一步验证仿真模型与试验结果的一致性，在往复速度取中间值200ｍｍ·ｓ－１、流体压力取中间值20Mpa的恒定工况下，仅改变介质浓度作为单一变量，分别开展仿真与试验测试，采集往复摩擦力达到稳定状态时的数值。不同介质浓度下往复摩擦力的试验与仿真结果对比验证如图１６所示。由图１６可见，仿真与试验所得到的往复摩擦力变化规律具有良好的一致性，且二者之间的误差控制在１.４％ ～７.６％内，表明仿真模型与试验结果可相互验证。同时，无论是仿真测试还是试验测试，均显示当介质浓度为４％时，往复密封结构的往复摩擦力达到最小值。
４．４ 验证试验总结
根据以上三个验证试验，介质浓度为４％时，摩擦力时变波动最小、有效使用寿命最久。可以认定，介质浓度为４％时摩擦力综合表现最好，是乳化液浓度最佳配比。
结论
通过建立Ｏ形圈往复密封结构有限元模型，对不同工况下的往复摩擦力进行对比仿真分析，发现往复速度对摩擦力的影响效果远低于流体压力，因此，在通过算法进行控制补偿时，应当重点考虑流体压力导致的摩擦力波动。基于液压往复运动试验装置，探究不同介质浓度下往复摩擦力受工况因素影响的变化规律，发现介质浓度为４％时摩擦力的大小、时变稳定性、使用寿命等性能相对更好，可以作为液压支架用乳化液浓度最佳配比。
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