旋轉(zhuǎn)軸唇形油封溫度場仿真分析

旋轉(zhuǎn)軸唇形油封溫度場仿真分析

旋轉(zhuǎn)軸唇圈（（油密封）是機械、化工、汽車、航空、船舶和國防等領(lǐng)域應(yīng)用的最重要的基本件件。它用于防止軸向外泄漏，防止灰塵和雜質(zhì)的外部污染。針對油封溫度場的研究,目前主要采用數(shù)值分析法和有限元軟件分析法。KANG和SADEGHI1油壓元模型的構(gòu)建1.1旋轉(zhuǎn)軸唇形密封以帶彈簧的內(nèi)包金屬骨架型旋轉(zhuǎn)軸唇形油封為研究對象,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(zhuǎn)軸唇形密封結(jié)構(gòu)示意圖,密封圈與旋轉(zhuǎn)軸為過盈裝配,其中α為油側(cè)唇角,β為空氣側(cè)唇角,R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。油封密封是靠撓性密封元件與旋轉(zhuǎn)軸之間的過盈配合實現(xiàn)的。相對轉(zhuǎn)動時,密封界面形成一層穩(wěn)定的流體動壓油膜,該油膜起潤滑和密封作用。油膜太厚,就會產(chǎn)生泄漏;油膜太薄,如不能形成流體潤滑膜,唇部會出現(xiàn)磨損并使密封件局部受熱,產(chǎn)生較大的能量損耗,最終導(dǎo)致密封件破壞。1.2油封的模型設(shè)計油封在工作過程中,密封界面的滑動摩擦產(chǎn)生摩擦熱,同時由于密封圈材料具有黏彈性,運轉(zhuǎn)生熱也會導(dǎo)致熱滯后。因此,旋轉(zhuǎn)唇形油封溫度場研究涉及到結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、材料力學(xué)、摩擦學(xué)等多學(xué)科理論。為便于建模仿真和分析,文中有限元分析時對密封材料的特性以及邊界約束條件所作的假設(shè)如下:(1)密封圈與工作介質(zhì)采用以對流為主的傳熱方式,密封圈與缸體和旋轉(zhuǎn)軸采用以熱傳導(dǎo)為主的傳熱方式;(2)在啟動瞬間,密封裝置在摩擦接觸面上的溫度一定,且旋轉(zhuǎn)軸與密封圈在接觸區(qū)域受力均勻;(3)損失的能量全部轉(zhuǎn)化為熱能;(4)油封采用的丁腈橡膠材料具有各向同性,材料的屬性和熱物理特性不隨溫度升高而變化;(5)不考慮潤滑油溫度的改變對唇形油封密封性能的影響;(6)不考慮密封間隙泄漏帶走的摩擦熱,認(rèn)為密封環(huán)傳遞所有摩擦熱。油封的主體材料選用丁腈橡膠(NBR),其邵爾A型硬度為75。由硬度計算彈性模量,采用兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型描述其力學(xué)性能。密封圈參數(shù)C劃分網(wǎng)格時,油封采用C3D8RT單元類型,即八結(jié)點熱耦合六面體單元,三向線性位移,三向線性溫度,減縮積分,沙漏控制。由于油封的失效多發(fā)生在與旋轉(zhuǎn)軸配合的唇尖部位,因此建模時需要創(chuàng)建唇尖的實際角度;為了獲得較準(zhǔn)確的計算結(jié)果,需要細(xì)化唇尖部位的劃分網(wǎng)格,建立的唇形油封有限元模型如圖2所示。2油封溫度場熱分析模塊2.1材料密度及損耗因子文中旋轉(zhuǎn)軸唇形油封采用三維熱結(jié)構(gòu)模型,根據(jù)能量守恒定律和傅里葉第一定律得出的如式(1)所示的油封非穩(wěn)態(tài)溫度場的熱傳導(dǎo)微分方程式中:T為溫度,K;t為時間,s;Q為橡膠材料的生熱率,J/(kg·s);c為橡膠材料的比熱容,J/(kg·K);ρ為橡膠材料的密度,kg/m在唇形油封的工作狀態(tài)下,其任意單元在一個周期內(nèi)節(jié)點產(chǎn)生的熱量表達(dá)式式中:σ為最大應(yīng)力;ε為最大應(yīng)變值。唇形油封工作狀態(tài)下其應(yīng)力、應(yīng)變隨時間的變化的關(guān)系為將式(3)綜合化簡后得到的應(yīng)力應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系為式中:E聯(lián)立方程式(2)、(3)和(4),化簡后可得唇形油封每一個周期內(nèi)能量損失的數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中:tanδ為材料損耗因子,損耗因子是用來表征橡膠密封圈熱功耗的一個重要參數(shù)。由于實際經(jīng)濟條件的限制,文中參考前人的實驗基礎(chǔ)取損耗因子tanδ=0.03由假設(shè)(3)及式(5)可知,油封密封圈單個周期內(nèi)其節(jié)點生熱率的表達(dá)式為式中:T于是,通過分析唇形油封摩擦生熱所得的熱流密度數(shù)學(xué)表達(dá)式為式中:2.2油封的工作參數(shù)密封介質(zhì)的特性、油封的工作參數(shù)和密封材料的熱物理性能對油封溫度場的分布有著重要的影響。文中油封的工作參數(shù)為:主軸轉(zhuǎn)速1000r/min,工作壓力0.1MPa,環(huán)境溫度20℃,摩擦因數(shù)0.2。密封材料熱物性參數(shù)見表1。在ABAQUS有限元軟件的Property模塊中定義唇形油封的材料屬性。2.3表面對流換熱系數(shù)材料導(dǎo)熱系數(shù)的大小與物質(zhì)的種類、溫度等諸多因素有關(guān),許多材料的導(dǎo)熱系數(shù)都允許采用線性近似關(guān)系對流換熱系數(shù)是指流體、固體接觸表面之間的換熱能力,表面對流換熱系數(shù)的大小與換熱過程中流體的物理性質(zhì)(如:比熱容、黏度和熱導(dǎo)率)、油封的表面形狀、流體的流動狀態(tài)以及表面與流體之間的溫差等諸因素有關(guān)。在不同的狀況下,唇形油封換熱表面對流換熱系數(shù)的數(shù)值參考的大致數(shù)量級如表2所示。由于唇形油封在運行條件下的對流換熱屬于強制對流,且油液為工作介質(zhì),因此根據(jù)表2并查閱相關(guān)參考資料確定對流換熱系數(shù)α=530W/(m2.4模型邊界條件唇形油封密封圈溫度場研究,屬于三維熱分析問題,計算式(1)熱傳導(dǎo)方程的唯一解,需要明確密封圈的邊界約束和加載方式。密封圈的邊界散熱與工作介質(zhì)、表面狀況及環(huán)境溫度等諸多因素有關(guān),相較于橡膠,鋼件結(jié)構(gòu)所發(fā)生的微小變形可以忽略不計,因此鋼件結(jié)構(gòu)定義為唇形油封的邊界約束,邊界條件的施加分三步:首先,對唇形油封施加適當(dāng)?shù)妮S向位移,使旋轉(zhuǎn)軸與主唇接觸并達(dá)到預(yù)工作狀態(tài);其次,將系統(tǒng)的油壓p施加到唇形油封的內(nèi)側(cè)區(qū)域;然后,在應(yīng)力分析中直接定義節(jié)點溫度,施加到指定區(qū)域。通過對唇形油封結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析,將所得節(jié)點最大接觸壓力值帶入式(6)來獲得所需要的節(jié)點最大生熱率作為體載荷施加到油封件。文中優(yōu)化前和優(yōu)化后2種油封模型在不同壓力下分析得到的最大應(yīng)力值如表3所示。同樣分析可得到同一工作壓力下,不同轉(zhuǎn)速時2種油封模型節(jié)點最大應(yīng)力值分別為7.126和5.886MPa。將應(yīng)力值代入式(6)獲得的計算結(jié)果,作為節(jié)點溫度的邊界條件。運用式(7)求解出所需要的唇形油封的熱流密度作為面載荷施加于油封密封區(qū)域,對油封溫度場進(jìn)行分析,并將分析過程中所用到的諸參數(shù)列出如表1所示。根據(jù)實際密封結(jié)構(gòu)的不同換熱區(qū)域,綜合考慮以上邊界條件進(jìn)行模擬分析,忽略密封體系的熱輻射熱交換方式。3參數(shù)變化時的仿真通過對型號為60mm×80mm×8mm的旋轉(zhuǎn)軸唇形油封,以優(yōu)化前后2兩組參數(shù)進(jìn)行仿真分析,當(dāng)改變旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、工作壓力時,得到了油封摩擦面上的溫度最大值的變化情況。3.1唇口溫度的影響油封在工作過程中,唇口與旋轉(zhuǎn)軸過盈接觸形成的摩擦面,在相對運動時會產(chǎn)生大量的摩擦熱,使摩擦面上的溫度升高。將油封的唇口溫度作為選取油封橡膠材料的依據(jù),可防止唇口的工作溫度高于橡膠油封的許用溫度,從而避免橡膠的加速變形和老化以及油封的密封失效。在工作壓力不變時,通過改變旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速,得到優(yōu)化前后2種油封節(jié)點溫度隨轉(zhuǎn)速變化趨勢如圖3所示。顯然,所分析的2種油封在不同轉(zhuǎn)速時的最高溫度分布隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加,且2種油封都滿足密封要求。該結(jié)果與已有研究結(jié)果比較優(yōu)化前、優(yōu)化后油封的溫度分布圖可知,優(yōu)化后最高溫度為51.73℃,明顯低于優(yōu)化前最高溫度62.30℃,表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)模型更符合密封性能的要求,對油封的密封性起有利作用。3.2不同工作壓力下的溫度分布當(dāng)轉(zhuǎn)速為1000r/min時,分析不同的工作壓力對油封最高溫度分布的影響,結(jié)果如圖4所示。可見,優(yōu)化前后的2種油封參數(shù)在不同工作壓力時的最高溫度分布都滿足密封要求。由圖4可知,優(yōu)化前的油封,當(dāng)工作壓力為0.14MPa時,由于接觸壓力突然增大使得溫度也增高,但油封整體最高溫度隨著工作壓力的增大而呈下降趨勢;而優(yōu)化后油封最高溫度隨著工作壓力的增加呈現(xiàn)出線性下降的趨勢,且趨勢比較緩慢。比較優(yōu)化前、優(yōu)化后油封的溫度分布可知,優(yōu)化后油封的最高溫度為30.97℃,明顯低于優(yōu)化前油封的最高溫度36.90℃,且變化幅度也趨于緩慢,表明優(yōu)化參數(shù)后的油封模型具有良好的散熱條件,可提高油封的使用耐久性。3.3油封的溫度分布摩擦面上產(chǎn)生的熱量以不同的方式散發(fā),使得散熱區(qū)域的溫度分布也發(fā)生了相應(yīng)的變化。圖5給出了溫度場模型,圖6和圖7分別給出轉(zhuǎn)速為600r/min時優(yōu)化前與優(yōu)化后唇口部位的溫度分布?？梢?優(yōu)化前與優(yōu)化后的油封模型,唇口溫度分布都滿足密封要求。優(yōu)化前油封的最高溫度出現(xiàn)在副唇部位,且越靠近中間部位溫度越高;優(yōu)化后油封的較高溫度出現(xiàn)在主唇接觸部位,且從兩側(cè)向中間逐漸增加,最高溫度出現(xiàn)在中間靠近空氣側(cè)。這是由于摩擦面的兩端受兩側(cè)流場的影響較大,況且空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于潤滑油的導(dǎo)熱系數(shù),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。因此,優(yōu)化后的油封模型相對于優(yōu)化前的模型溫度分布云圖更符合密封要求,且優(yōu)化后唇口部位最高溫度明顯低于優(yōu)化前唇口區(qū)域的最高溫度。4不同優(yōu)化前后油封的溫度分布(1)優(yōu)化前和優(yōu)化后2種油封在不同工作參數(shù)范圍內(nèi),油封唇部的溫度分布都滿足油封溫度工作要求。(2)在一定工作壓力下,隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的增加,油封最高溫度隨之逐漸增加,轉(zhuǎn)速與溫度近似呈線性關(guān)系,且轉(zhuǎn)速越大唇形橡膠油封越容易摩擦損壞。優(yōu)化前油封相較于優(yōu)化后油封,轉(zhuǎn)速對最高溫度的影響較為顯著,優(yōu)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。(3)在轉(zhuǎn)速一定時,唇形橡膠油封的最高溫度隨著工作壓力的升高而減小,優(yōu)化前油封相對于優(yōu)化后油封,工作壓力對唇形油封溫度影響較為顯著,優(yōu)化后油封隨著工作壓力的變化,其密封性能及散熱性能都較優(yōu)化前好。(4)摩擦面上最高溫度位于中間靠近空氣側(cè)部位的節(jié)點處,且從兩端向中間呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢?；趦?yōu)化前與優(yōu)化后的油封的溫度分布