摘要：分析伺服機構配套活塞桿上復合密封結構的力學模型，采用有限元方法對壓裝過程中活塞桿密封疊加機構、密封并列結構和殼體密封疊加機構的壓裝參數進行仿真；設計引裝、配合、調平工裝，使壓裝進給過程中平滑過渡，并保證殼體軸線與壓裝力同軸；配合壓裝設備進行試驗驗證得到壓裝力與位移的對應關系使壓裝過程量化；對不同尺寸減磨圈進行試驗，得到壓力曲線可表征復合密封件切損狀態的結論，證明了采用壓裝設備對伺服機構活塞類零件壓裝工藝方法的可靠性，提高壓裝精度和合格率，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：壓裝；密封；活塞桿

引言

伺服作動器活塞桿是伺服機構對外做功的機械零件，其作用是將作動器兩腔壓差轉化為作動器線位移輸出[1]?；钊麠U中間裝有復合密封件，其結構屬于動密封形式。裝配時應保證其密封可靠性，一旦動密封失效，會影響伺服機構動態特性?；钊麠U裝配伺服作動器過程一直以來無量化參數控制工藝過程，傳統操作方式是操作者用橡皮錘敲擊裝入或手工推入作動器的方法，敲擊力度依賴操作者技能經驗，且安裝過程復合密封類零件的參數不易量化，極易切損，存在人為因素的不確定性，其質量為不可檢項目[2]。本文研究采用數控壓裝設備對伺服作動器配套活塞桿進行壓裝的工藝方法，提出伺服機構活塞桿壓裝工藝判別方法，旨在使壓裝過程受控，提高裝配質量。

1活塞桿壓裝過程機理分析

某型電液伺服作動器包括殼體、活塞桿、支承座、位移傳感器、伺服閥、壓力傳感器等。對活塞桿壓裝到殼體過程進行研究，由于密封圈為超彈性體不易模擬其受力過程，故對模型中的密封圈進行必要的假設及化簡[3]。假設密封圈安裝到密封槽內受到均勻的壓縮，沒有卷、擰的現象。采用密封圈的預緊力與由活塞桿與密封圈發生相對位移而產生的接觸力相疊加的方式計算活塞桿與密封圈之間的接觸力，并用一個等效的集中力代替密封圈沿其表面分布的接觸力。在活塞桿與殼體、活塞桿與端蓋的間隙處采用Hertz接觸剛度并考慮阻尼效應的影響建立接觸處的法向力-位移關系，采用修正的庫倫摩擦模型建立碰撞接觸處的切向力-位移關系模型[4]。

1.1接觸力模型

用彈簧模擬物體對變形的抵抗力，用阻尼模擬能量消散[5-7]。接觸過程中產生的接觸力與接觸點相互侵入的深度和侵入的速度之間的關系式為

其中，是與接觸點相互侵入的深度有關的彈性力；是與侵入速度有關的阻尼力。法向彈性接觸力表達為侵入深度的冪函數，即

對于壓裝過程與密封圈相關的接觸，式（2）中的參數通過有限元軟件對密封圈的接觸力進行計算分析，對接觸力和侵入深度的函數關系進行擬合得到。

對活塞桿與殼體的接觸，根據赫茲彈性接觸理論可計算出式（2）中的參數為：

式中：k彈性系數；侵入深度；泊松系數；楊氏模量；，軸和孔的半徑。

非線性彈簧阻尼模型中的阻尼為表示為：

其中，阻尼系數常取如下形式：

式中：為切向速度，為阻尼系數。

1.2摩擦力模型

摩擦力計算模型采用庫倫摩擦模型。庫倫摩擦定律認為摩擦力的方向與相對運動速度相反，其大小滿足不等式。由于摩擦力的功率取最小值時，，，摩擦力與相對速度的關系與庫倫摩擦定律一致，由于摩擦系數的定義導致在速度正負轉換時刻的數值積分困難，因此，修正摩擦力的模型為

式中：摩擦系數；法向力；相對切向速度；動態修正系數。

1.3壓裝仿真分析

伺服作動器殼體及活塞桿壓裝初始位置剖面圖如圖1所示。基于接觸力和摩擦力模型利用有限元方法，對活塞桿壓裝過程中三個密封槽處的復合密封結構進行受力分析，即密封并列結構，殼體密封疊加結構和活塞桿密封疊加結構。

圖1壓裝初始位置示意圖

殼體密封疊加結構是壓裝經過的第一道密封結構。該疊加結構密封在伺服作動器殼體上，由一組減磨圈-密封圈組成，因密封圈材料為丁腈，彈性模數為0.00784GPa，泊松系數為0.47，減磨圈材料為聚四氟乙烯，彈性模數為1.14~1.42GPa，密封圈彈性模數小于檔圈，密封圈發生彈性形變，密封結構產生了與壓裝力相平衡的作用力，該作用力為接觸力的法向力與摩擦力的和。壓裝距離為2.8mm時，密封圈受力云圖如圖2(a)，變形阻力達到最大，約為52N；通過壓裝距離4mm后，受力云圖如圖2(b)；

a)壓裝距離2.8mm

b)壓裝距離4mm

圖2殼體密封疊加結構接觸力與位移云圖

密封并列結構是壓裝經過的第二道密封結構。該并列結構密封在伺服作動器殼體上，由一組密封圈-擋圈組成，密封圈材料為丁腈，擋圈材料為聚四氟乙烯。當壓裝距離2.3mm時，密封圈受力云圖如圖3(a)，活塞桿和殼體接觸力與摩擦力合計達到約80N。通過壓裝距離4mm后，受力云圖如圖3(b)；

a)壓裝距離2.3mm

b)壓裝距離4mm

圖3殼體密封并列結構接觸力與位移云圖

活塞桿密封疊加結構是壓裝過程經過的第三道密封結構。該疊加結構密封在活塞桿主活塞上，由一組密封圈-減磨圈疊加組成，壓裝距離共3mm。當壓裝距離2.3mm時，密封圈受力云圖如圖4(a)，活塞桿和殼體內壁接觸力與摩擦力合計達到約70N。壓裝經過3mm后，受力云圖如圖4(b)。

a)壓裝距離2.3mm

b)壓裝距離3mm

圖4活塞桿密封疊加結構接觸力與位移云圖

2活塞桿壓裝試驗研究

采用精密數控壓裝設備進行壓裝，壓裝過程為定位移壓裝，根據位移傳感器實測位移，按固定速率進給勻速壓入，并實時監測正壓力受力情況，得到位移與壓裝力對應關系[8]。

活塞桿壓裝設計方案如下：①設計引裝工裝保證產品壓裝進給過程中復合密封結構不切損且活塞桿與殼體保持同軸，如圖1所示。引裝工裝I內孔口尺寸Φ38mm保證與腔體一致，外孔口尺寸Φ44mm，保證壓裝進給過程中平滑過渡。引裝工裝II保護活塞桿螺紋，保證活塞桿頂端進給時平滑過渡；②通過設計壓頭和底座保證壓裝設備正壓力與活塞桿同軸，同時限定殼體位置；③通過設計壓盤和基座在壓裝進給時的自平衡動作，基座為凹面并安裝壓裝設備底部平臺接口，壓盤球面直徑為160mm，表面帶刻度，可以進行球面調平。保證殼體軸線與正壓力同軸，最終保證“三軸同一”，如圖5所示。試驗時，先將產品安裝引裝工裝，再將殼體放入底座凹槽，然后操作壓裝設備進行自動壓裝，如圖6所示。

圖5活塞桿壓裝試驗方案組合圖

圖6精密數控壓裝實物圖

3活塞類零件壓裝試驗驗證

測試10套伺服作動器和活塞桿進行壓裝試驗如圖7所示，實測出各個局部極值點，并得到了壓裝力的范圍：

圖7活塞桿壓裝力與位移曲線圖

試驗結果表明壓裝過程具有一致性，從圖中可以看到摩擦力變化產生了5個峰值，壓裝過程分析如下：

①在3～7mm處產生了第一個峰值，由于作動器活塞桿頂端開始接觸殼體上的密封疊加結構，因此產生了第一個峰值，應力約為45N～55N；通過壓裝距離為4mm后變形阻力消失，恢復滑動摩擦力約35N~40N；

②在13～16mm處產生了第二個峰值，由于作動器活塞桿頂端開始接觸殼體上的密封并列結構，密封圈受到減磨圈擠壓變形，壓裝力上升，因此在活塞桿頂端接觸減磨圈的瞬間產生了一個極值點，應力為100N～135N；通過壓裝距離為4mm后變形阻力迅速消失，滑動摩擦力降到約70N，此后進入平穩滑動摩擦期；

③在23mm～26mm處產生了第三個峰值，此處由于殼體和引裝工裝的影響，活塞桿密封疊加結構進入殼體內，由于彈性形變與摩擦力相疊加產生了局部極值點，約為124N～145N；通過壓裝距離為3mm后變形阻力迅速消失，滑動摩擦力降到約90N，此后進入平穩滑動摩擦期；

④在36mm～37mm處產生了第四個峰值，此處活塞桿密封疊加結構經過殼體內斜孔進行密封圈的彈性形變釋放后又被擠壓，產生了極低點約為50N～75N和極高點約為120N～170N，該處為安全隱患點，通過該處曲線也能清楚的看到活塞桿密封疊加結構是否被切損；

⑤在44mm～47mm處產生了第五個峰值壓力值趨于穩定，三處密封結構摩擦力作用在整個活塞桿上，約為260N～285N直至最后安裝完畢。

綜上，可以給出壓裝合格判據：

1.局部極值點對應的特征區間應清晰對應并可識別；

2.曲線走勢應與試驗結果大體一致，不應再有影響局部極值點的峰值存在；

3.每個特征區間對應的局部極值點的峰值力應在要求范圍之內。

4對比試驗驗證

為驗證采用該方法得到判據的可靠性，驗證減磨圈切損后壓裝曲線變化情況，訂做特殊規格減磨圈，聚四氟乙烯減磨圈外徑標準尺寸為mm，選取極限、平均尺寸和超差尺寸進行試驗，并實測出整個峰值力，結果如下表1所示。

表1實際測量尺寸、過盈量及峰值力

經過試驗，在尺寸范圍內壓裝曲線符合圖7中曲線趨勢，超差結果曲線輸出如下圖8所示：

圖8超差規格減磨圈對應活塞桿壓裝對應曲線

試驗結果表明，在合格尺寸內的復合密封件，均符合合格判據，但超差尺寸密封件前三個特征區間勉強可以辨認，第④時刻局部極值點峰值為1500N以上，此時密封件被切損。超差尺寸密封件切損后實物圖如圖9所示。

a)減磨圈切損實物圖

b)活塞桿內密封圈切損實物圖

圖9超差尺寸密封件切損后實物圖

5結論

通過仿真和試驗研究，發現采用精密數控壓裝設備進行壓裝可以模擬出壓裝過程中壓裝力與位移的變化趨勢，對不同尺寸密封件壓裝曲線的對比，驗證了該種方法可以監測密封件切損情況，通過壓裝曲線得到的壓裝力可作為活塞類零件壓裝的工藝判據。

參考文獻

[1]鄭大維.變速器裝配壓裝工藝研究[D].合肥工業大學,2010.

[2]高立義.發動機活塞連桿壓裝模設計[J].汽車制造技術,2013,4,144-146.

[3]于潤生.液壓密封圈有限元分析與研究[D].天津理工大學,2012.

[4]鐘柱,陳軍,程靳,王興貴,劉兵.液壓伺服作動器密封圈的有限元分析[J].潤滑與密封2010,9.Vol35,No9,31-35.

[5]鐘柱.飛控系統液壓作動器動態仿真及密封性能分析[D].哈爾濱工業大學,2010.

[6]張振巖,查宏民,丁昕,胡世廣.偏航制動器壓裝滑阻氣密檢測系統研究[J].測控技術.2012,31.Vol5,No136-138.

[7]布圖格奇.軸承壓裝仿真與試驗以及液力變矩器導輪的熱裝配變形分析研究[D].浙江大學,2016.

[8]龔俊,楊東亞.斯特林發動機活塞桿密封結構與材料研究[D].蘭州理工大學,2012.