La junta tórica es un dispositivo de sellado comúnmente utilizado en cilindros, y sus propiedades de sellado y fricción desempeñan un papel fundamental en el movimiento estable y el control preciso del cilindro. La investigación sobre juntas tóricas abarca el análisis de fiabilidad, la selección de parámetros estructurales de la junta, la distribución de la tensión de contacto, las características de lubricación y fricción, y otros estudios teóricos relacionados. Este artículo se centra en el modelado matemático y el análisis de simulación del campo de tensiones, el campo de temperaturas, las características de lubricación con grasa y las características de fricción de una junta tórica unilateral restringida.
En ANSYS se estableció un modelo de análisis de elementos finitos axisimétricos bidimensionales de anillo tórico de cilindro FESCO. Analizando la influencia de la contracción de precarga y la presión del gas de la cámara de accionamiento sobre la tensión de contacto y la tensión de Von Mises, se encontró que el anillo tórico puede lograr un sellado estático fiable cuando la contracción de precarga es mayor que el 10% y la presión de la cámara de accionamiento es inferior a 0,5 MPa. Cuando hay deslizamiento relativo en el anillo tórico, basándose en el campo estructural anterior, la fuente de calor se atribuye al calentamiento por fricción y al calentamiento por histéresis mecánica, y se lleva a cabo el análisis del campo de temperatura. Considerando la influencia de la temperatura sobre la tensión de contacto, se logra un acoplamiento secundario utilizando la estructura térmica. Se ha encontrado que el aumento limitado de la temperatura en la zona de contacto tiene un pequeño impacto en la tensión de contacto del anillo tórico, y el factor decisivo que afecta al rendimiento de sellado dinámico y estático del anillo tórico es la cantidad de precompresión del anillo tórico.
Se estableció un modelo matemático para juntas tóricas y cilindros bajo condiciones de lubricación con grasa, que incluye la ecuación de Reynolds, la ecuación de espesor de película, la ecuación de equilibrio de carga y la ecuación de energía. Se utilizó la integración numérica multigrid para mejorar la convergencia de toda la iteración. Las tendencias de variación del espesor de la película lubricante y la fuerza de fricción de la grasa con la velocidad de deslizamiento relativa, la tasa de compresión y la presión del gas se calcularon mediante programación en C. Los resultados de la simulación indican que la presión del gas tiene un efecto relativamente pequeño sobre el espesor de la película, pero un impacto significativo sobre la tensión de contacto. La velocidad de deslizamiento relativa tiene el mayor impacto sobre el espesor de la película y un impacto relativamente pequeño sobre la distribución de la tensión de contacto. El espesor de la película en el área del centro de contacto está entre 1 y 2 μm, lo que permite lograr una lubricación completa.
Se establece un modelo de fricción de contacto deslizante entre la junta tórica y el cilindro, se simplifica la ecuación constitutiva del material de caucho y la superficie rígida rugosa, se deriva el modelo matemático de la fuerza de fricción de histéresis de la junta tórica deslizándose sobre una superficie sinusoidal y una superficie de separación rugosa aleatoria del cilindro, y se construye un modelo de simulación en Matlab. El aumento de la velocidad de deslizamiento relativa y la presión del gas conlleva un aumento de la fricción de histéresis, donde la velocidad de deslizamiento desempeña un papel dominante. Cuando la velocidad de deslizamiento se encuentra entre 0,1 m/s y 0,5 m/s, la relación entre el coeficiente de fricción de histéresis y la velocidad relativa es aproximadamente una relación parabólica cuadrática. La ley de variación obtenida tiene cierto valor de ingeniería para predecir la fuerza de fricción del cilindro.