唇形油封密封性能的有限元分析

0油封的接觸寬度旋轉軸唇圈（（油封）廣泛應用于機械工程、汽車、床、采礦、航空、船舶、國防等行業。油封的密封性能研究主要通過有限元軟件分析和數值計算2種方法。文獻[3]利用ABAQUS有限元分析軟件,分別對有無彈簧2種情況下的過盈量、彈簧勁度系數及理論接觸寬度對油封接觸壓力分布和接觸寬度的影響進行了研究,分析了旋轉軸轉速和唇口與軸之間的摩擦系數等運行參數對油封摩擦扭矩的影響。王寶森等通過建立有限元平面軸對稱模型分析了油封的唇角、接觸寬度等結構參數對接觸壓力的影響綜上所述,有限元分析軟件因易于獲得油封唇口處的接觸壓力分布情況,在油封的結構參數優化中得到廣泛應用,油封溫度場和泵汲率的研究因涉及到宏觀和微觀因素的影響,則多通過數值計算模型計算。本文基于ABAQUS有限元軟件,并集成數值計算研究方法,對兩組不同參數(定義為優化前和優化后)的油封唇口接觸壓力和溫度場分布分析,計算油封的泵汲率和摩擦扭矩密封性能指標,擴展了基于有限元軟件分析油封密封性能的研究方法。1油壓的結構參數和有限分析模型1.1初始安裝的旋轉軸唇形密封結構本文研究選取的旋轉軸唇形油封為帶彈簧的內包金屬骨架型,其型號為60mm×80mm×8mm,油封的主體材料是丁腈橡膠(NBR)。圖1所示為初始安裝的旋轉軸唇形密封結構示意,密封圈與旋轉軸為過盈裝配,并通過一個彈簧將油封唇緊緊壓在旋轉軸上。其中α為油側唇角,β為空氣側唇角,b為未變形時油封唇尖部位與彈簧槽中心的軸向距離,也稱為唇口接觸寬度,T為腰厚。優化前結構:b=0.3mm,α=45°,β=20°,過盈量S=0.45mm,T=1.1mm;優化后結構:b=0.22mm,α=35.41°,β=15.25°,過盈量S=0.41mm,T=1.04mm。1.2油封的熱分析參數本文選取的旋轉軸唇形油封,其主體材料選用丁腈橡膠(NBR),邵爾A型硬度為75,由硬度計算彈性模量。采用2項參數的Mooney-Rivlin模型描述其力學性能,密封圈參數C油封的溫度場分析采用三維熱結構問題進行分析,劃分網格時,油封采用C3D8RT單元類型,如圖3所示,密封材料熱物性參數見表1。通過ABAQUS軟件的Property模塊,按照表1中材料的熱物性參數值來定義油封構件的材料屬性。其中熱傳導系數取值為K油封密封圈在工況下,其對流換熱屬于強制對流,工作介質為油,根據表2并查閱相關參考資料確定對流換熱系數為α=530W/(m油封的工況參數為:主軸轉速為1000r/min,工作壓力為0.1MPa,環境溫度為20℃,摩擦因數0.2。2油封閉液、泵集率、摩擦扭矩的計算2.1油封非穩態溫度場的熱傳導微分方程根據建立的油封溫度場有限元分析模型,選取三維熱結構問題進行分析,根據能量守恒定律和傅里葉第一定律得出油封非穩態溫度場的熱傳導微分方程式中Tt——時間,sc——橡膠材料的比熱容,J/(kg·K)ρ——橡膠材料的密度,kg/mλQ——橡膠材料的生熱率,J/(kg·s)式中Qt于是,摩擦生熱的熱流密度q式中k——導熱矩陣——密封圈實體沿徑向的溫度梯度?k-——熱量流向溫度梯度降低的區域2.2旋轉軸泵駁率的推導泵汲效應是油封的動態密封機理,泵汲現象是宏觀和微觀結構共同作用的結果。研究發現,新油封件并不存在微觀唇口槽道,經過運行磨合后形成微觀槽道,為泵汲提供微觀基礎。在偏心作用下,具有微觀槽道的密封唇相對旋轉軸除了作旋轉運動外,還存在軸向微觀往復運動,因此,泵汲率是通過往復運動密封原理進行推導計算。文獻[11]提出了以油側和空氣側壓力梯度表示的泵汲率表達式:式中,負號表明密封間隙內潤滑油膜內的流體的凈流量指向內側(即油側),是向內泵汲的效果。由于公式兩邊的壓力梯度不易計算,為了方便分析,假設唇口接觸壓力分布近似為三角形,如圖4所示。圖中D為旋轉軸軸徑,P文獻[11]提出了包含可以直接反映對泵汲率有重要影響的軸轉速和抱軸力的泵汲率表達式:式中η——接觸溫度時動態流體膜黏度b——接觸寬度G——抱軸力,G=πFD2.3旋轉軸密封軸類唇形油封的摩擦扭矩是影響油封密封性能及壽命的重要特性參數之一,它與旋轉軸的狀態(材質、公差、表面粗糙度等)、潤滑狀態(溫度、潤滑介質、潤滑方式等)和工作狀態(軸轉速、油封密封唇口相對于旋轉軸的偏心等)有關。油封密封唇的摩擦狀態可通過摩擦扭矩來反映。通常,在保證密封性能的前提下,應適當減小摩擦力矩,從而降低油封唇口溫度,維持油封唇與軸之間良好的接觸狀態。油封的摩擦扭矩T式中TT?——接觸溫度∑R3旋轉軸與主唇間的預密封束的確定,把油封的軸進行油封的有限元分析時,將油封結構的鋼件部分作為油封密封圈的邊界約束,邊界條件分3步:(1)沿著油封的軸向施加適當的位移,使旋轉軸與主唇接觸達到預工作狀態;(2)在油封的內側,即未與密封溝槽接觸的表面施加系統的油壓p;(3)在應力分析中直接定義節點溫度。3.1油封的接枝作用油封唇口的接觸壓力及其分布是計算油封泵汲率和摩擦扭矩的依據,同時也是判斷油封是否滿足密封的判斷條件。油封沒有失穩的情況下,油封密封性能的好壞,主要取決于油封唇口與軸徑之間油膜的厚度及接觸壓力的分布狀態,而后者是前者的決定因素,接觸壓力的大小及分布直接影響著油膜的形成及存在狀態,也就間接地影響著油封的密封性能和使用壽命。圖5所示描述了優化前和優化后2個二維軸對稱模型油封唇口在安裝狀態下接觸壓力變化的分布曲線。可見,所分析的2種油封參數在相同工作壓力時的唇口接觸壓力分布形狀都滿足密封要求。由圖5可知,油封唇口接觸壓力在軸向的分布趨勢一致,在接觸密封面上,油側接觸壓力最大,在空氣側又逐漸減少為0。優化前的油封,油封唇口接觸壓力隨著接觸區域軸向位置的增大而呈先上升后下降趨勢;而優化后油封唇口接觸壓力隨著接觸區域軸向位置的增加呈現出先上升后下降的趨勢,且下降趨勢比較緩慢。比較優化前、優化后油封唇口的接觸壓力分布可知,優化后油封的最大唇口接觸壓力為6.335MPa,明顯高于優化前油封的最大唇口接觸壓力3.997MPa,表明優化參數后的油封模型可產生有利于密封的壓力分布形狀,可提高油封的密封效果。3.2不同轉速下油封節點溫度分析通常,唇形油封唇口溫度的高低取決于唇口與旋轉軸在高速旋轉狀態下的摩擦熱的大小。油封唇口溫度作為選取油封橡膠材料的標準,可以防止油封唇口工作溫度隨軸轉速的提高而上升,過度溫升超過了橡膠油封的工作溫度上限時會造成加速油封唇口橡膠變形、老化,導致油封密封失效。因此,軸速對油封唇口工作性能有著重要影響,研究軸轉速對唇口溫度分布的影響是十分必要的。溫度分析時,是將對油封結構應力應變分析獲取的需要節點最大應力應變值代入式(2),從而求解出密封圈節點最大生熱率,并將其值作為體載荷施加到密封圈上。本文優化前和優化后兩種三維油封模型在相同轉速(n=1000r/min)不同壓力下分析得到的最大應力值如表3所示;同樣分析可得到不同轉速時,兩種模型節點最大應力值,出現在工作壓力為0.1MPa時,分別為7.126,5.886MPa。將應力值代入式(2)獲得的計算結果,作為節點溫度的邊界條件。運用式(3)求解出密封圈的熱流密度,并將其值作為面載荷施加于密封圈密封面上。當工作壓力一定時,通過對不同軸速的計算,得到優化前和優化后油封節點溫度隨轉速變化趨勢,如圖6所示。從圖6可見,所分析的2種油封參數在不同轉速時的最高溫度分布形狀都滿足密封要求,且隨著轉速的增加而增加,該結果與已有研究結果趨勢相同比較優化前、優化后的溫度分布圖可知,優化后最高溫度為51.73℃,明顯低于優化前最高溫度62.30℃,這是由于優化后的油封實際接觸寬度低于優化前油封,更易于散熱。表明優化后的結構參數模型動態運行時溫度場的分布有助于延緩油封的老化現象。圖7示出轉速為600r/min時優化后唇口部位的溫度分布。顯然,在油封的主唇接觸部位溫度由兩側向中間逐漸增加,最高溫度出現在中間靠近空氣側。這是由于摩擦面的兩端受兩側流場的影響較大,況且空氣的導熱系數遠小于潤滑油的導熱系數,通過空氣的散熱效果相對于通過潤滑油的散熱效果較差引起的。3.3不同轉速時的泵駁率結果分析油封運行時,在接觸壓力和密封介質的作用下,在油封唇口與旋轉軸表面間會形成一層穩定的潤滑油膜,起到密封的效果。軸速對潤滑油膜的形成起主要作用,軸轉速過小,不易形成潤滑油膜,油封與旋轉軸之間處于干摩擦狀態,加速油封的磨損;軸轉速過大,則會加強油封唇口兩側潤滑油流動,同時唇面也會產生高溫和磨損,造成密封唇口對軸的跟隨性能下降,如果溫度高于橡膠材料最高允許使用溫度,會加速唇口老化破壞,且由于跟隨性能下降會造成油膜過厚而導致潤滑油泄漏。其他條件一定時,膜厚只與軸轉速有關,在流體動力作用下,膜厚隨著轉速提高而變大,且回流率也相應增加,從而導致泵汲率增加。根據有限元分析得到的唇口處的接觸壓力(表3),獲得徑向力值,進而求出抱軸力,結構參數取值如圖1所示,并取η=11.13mPa·s,D=60mm,n=200~2000r/min,代入式(5)可得到不同轉速時泵汲率的變化情況,如圖8所示。可見,所分析的2種油封參數在不同轉速時的泵汲率分布形狀都滿足密封要求,且隨著軸轉速的增大,泵汲率基本成線性增加,該結果與已有的試驗研究結果趨勢相同由圖8可知,優化前的油封,泵汲率隨著軸轉速增加而增大,且趨勢比較緩慢;而優化后油封泵汲率隨著軸轉速的增加呈現出近似線性增長的趨勢,且趨勢比較快。比較優化前、優化后油封的泵汲率分布可知,優化后油封的最高泵汲率明顯高于優化前油封的最高泵汲率,且變化幅度比較大,表明優化參數后的油封模型具有良好的密封性能,可提高油封的使用耐久性。3.4油封的磨損程度油封唇口與旋轉軸之間的摩擦扭矩作為衡量油封密封性能的重要指標之一,它反映了油封唇表面的磨損程度。過大的摩擦扭矩會導致油封唇口部位磨損加劇,同時使密封區域產生大量的熱,造成密封接觸區域溫升加快而加速橡膠材料的變形和老化,進而對油封密封性能產生影響。根據有限元分析得到的唇口處的接觸壓力值(表3),獲得徑向力值,其它參數取值為:μ4轉速對密封性能的影響(1)優化前和優化后2種油封在不同工作參數范圍內,油封唇部的接觸壓力分布、溫度分布、泵汲率及摩擦扭矩都滿足油封溫度工作要求。(2)隨著轉速的增加,油封最高溫度逐漸增加,轉速與溫度近似呈線性關系,且橡膠材料隨轉速的增大而加速磨損。優化前油封相較于優化后油封,轉速對最高溫度的影響較為顯著,優化后油封溫度的變化幅度趨于緩慢,更有利于油封的密封性能及其散熱性能