唇形油封密封性能的有限元分析

唇形油封密封性能的有限元分析

0油封的接觸寬度旋轉(zhuǎn)軸唇圈（（油封）廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、汽車、床、采礦、航空、船舶、國防等行業(yè)。油封的密封性能研究主要通過有限元軟件分析和數(shù)值計(jì)算2種方法。文獻(xiàn)[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(shù)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(jìn)行了研究,分析了旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速和唇口與軸之間的摩擦系數(shù)等運(yùn)行參數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化中得到廣泛應(yīng)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(shù)值計(jì)算模型計(jì)算。本文基于ABAQUS有限元軟件,并集成數(shù)值計(jì)算研究方法,對兩組不同參數(shù)(定義為優(yōu)化前和優(yōu)化后)的油封唇口接觸壓力和溫度場分布分析,計(jì)算油封的泵汲率和摩擦扭矩密封性能指標(biāo),擴(kuò)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(jié)構(gòu)參數(shù)和有限分析模型1.1初始安裝的旋轉(zhuǎn)軸唇形密封結(jié)構(gòu)本文研究選取的旋轉(zhuǎn)軸唇形油封為帶彈簧的內(nèi)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(zhuǎn)軸唇形密封結(jié)構(gòu)示意,密封圈與旋轉(zhuǎn)軸為過盈裝配,并通過一個(gè)彈簧將油封唇緊緊壓在旋轉(zhuǎn)軸上。其中α為油側(cè)唇角,β為空氣側(cè)唇角,b為未變形時(shí)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(yōu)化前結(jié)構(gòu):b=0.3mm,α=45°,β=20°,過盈量S=0.45mm,T=1.1mm;優(yōu)化后結(jié)構(gòu):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(shù)本文選取的旋轉(zhuǎn)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(jì)算彈性模量。采用2項(xiàng)參數(shù)的Mooney-Rivlin模型描述其力學(xué)性能,密封圈參數(shù)C油封的溫度場分析采用三維熱結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行分析,劃分網(wǎng)格時(shí),油封采用C3D8RT單元類型,如圖3所示,密封材料熱物性參數(shù)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(shù)值來定義油封構(gòu)件的材料屬性。其中熱傳導(dǎo)系數(shù)取值為K油封密封圈在工況下,其對流換熱屬于強(qiáng)制對流,工作介質(zhì)為油,根據(jù)表2并查閱相關(guān)參考資料確定對流換熱系數(shù)為α=530W/(m油封的工況參數(shù)為:主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min,工作壓力為0.1MPa,環(huán)境溫度為20℃,摩擦因數(shù)0.2。2油封閉液、泵集率、摩擦扭矩的計(jì)算2.1油封非穩(wěn)態(tài)溫度場的熱傳導(dǎo)微分方程根據(jù)建立的油封溫度場有限元分析模型,選取三維熱結(jié)構(gòu)問題進(jìn)行分析,根據(jù)能量守恒定律和傅里葉第一定律得出油封非穩(wěn)態(tài)溫度場的熱傳導(dǎo)微分方程式中Tt——時(shí)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(dǎo)熱矩陣——密封圈實(shí)體沿徑向的溫度梯度?k-——熱量流向溫度梯度降低的區(qū)域2.2旋轉(zhuǎn)軸泵駁率的推導(dǎo)泵汲效應(yīng)是油封的動(dòng)態(tài)密封機(jī)理,泵汲現(xiàn)象是宏觀和微觀結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn),新油封件并不存在微觀唇口槽道,經(jīng)過運(yùn)行磨合后形成微觀槽道,為泵汲提供微觀基礎(chǔ)。在偏心作用下,具有微觀槽道的密封唇相對旋轉(zhuǎn)軸除了作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外,還存在軸向微觀往復(fù)運(yùn)動(dòng),因此,泵汲率是通過往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封原理進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算。文獻(xiàn)[11]提出了以油側(cè)和空氣側(cè)壓力梯度表示的泵汲率表達(dá)式:式中,負(fù)號表明密封間隙內(nèi)潤滑油膜內(nèi)的流體的凈流量指向內(nèi)側(cè)(即油側(cè)),是向內(nèi)泵汲的效果。由于公式兩邊的壓力梯度不易計(jì)算,為了方便分析,假設(shè)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(zhuǎn)軸軸徑,P文獻(xiàn)[11]提出了包含可以直接反映對泵汲率有重要影響的軸轉(zhuǎn)速和抱軸力的泵汲率表達(dá)式:式中η——接觸溫度時(shí)動(dòng)態(tài)流體膜黏度b——接觸寬度G——抱軸力,G=πFD2.3旋轉(zhuǎn)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(shù)之一,它與旋轉(zhuǎn)軸的狀態(tài)(材質(zhì)、公差、表面粗糙度等)、潤滑狀態(tài)(溫度、潤滑介質(zhì)、潤滑方式等)和工作狀態(tài)(軸轉(zhuǎn)速、油封密封唇口相對于旋轉(zhuǎn)軸的偏心等)有關(guān)。油封密封唇的摩擦狀態(tài)可通過摩擦扭矩來反映。通常,在保證密封性能的前提下,應(yīng)適當(dāng)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(tài)。油封的摩擦扭矩T式中TT?——接觸溫度∑R3旋轉(zhuǎn)軸與主唇間的預(yù)密封束的確定,把油封的軸進(jìn)行油封的有限元分析時(shí),將油封結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)奈灰?使旋轉(zhuǎn)軸與主唇接觸達(dá)到預(yù)工作狀態(tài);(2)在油封的內(nèi)側(cè),即未與密封溝槽接觸的表面施加系統(tǒng)的油壓p;(3)在應(yīng)力分析中直接定義節(jié)點(diǎn)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(jì)算油封泵汲率和摩擦扭矩的依據(jù),同時(shí)也是判斷油封是否滿足密封的判斷條件。油封沒有失穩(wěn)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(tài),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(tài),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(yōu)化前和優(yōu)化后2個(gè)二維軸對稱模型油封唇口在安裝狀態(tài)下接觸壓力變化的分布曲線。可見,所分析的2種油封參數(shù)在相同工作壓力時(shí)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(cè)接觸壓力最大,在空氣側(cè)又逐漸減少為0。優(yōu)化前的油封,油封唇口接觸壓力隨著接觸區(qū)域軸向位置的增大而呈先上升后下降趨勢;而優(yōu)化后油封唇口接觸壓力隨著接觸區(qū)域軸向位置的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢,且下降趨勢比較緩慢。比較優(yōu)化前、優(yōu)化后油封唇口的接觸壓力分布可知,優(yōu)化后油封的最大唇口接觸壓力為6.335MPa,明顯高于優(yōu)化前油封的最大唇口接觸壓力3.997MPa,表明優(yōu)化參數(shù)后的油封模型可產(chǎn)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(zhuǎn)速下油封節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)軸在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)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(biāo)準(zhǔn),可以防止油封唇口工作溫度隨軸轉(zhuǎn)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(shí)會造成加速油封唇口橡膠變形、老化,導(dǎo)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(zhuǎn)速對唇口溫度分布的影響是十分必要的。溫度分析時(shí),是將對油封結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析獲取的需要節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力應(yīng)變值代入式(2),從而求解出密封圈節(jié)點(diǎn)最大生熱率,并將其值作為體載荷施加到密封圈上。本文優(yōu)化前和優(yōu)化后兩種三維油封模型在相同轉(zhuǎn)速(n=1000r/min)不同壓力下分析得到的最大應(yīng)力值如表3所示;同樣分析可得到不同轉(zhuǎn)速時(shí),兩種模型節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力值,出現(xiàn)在工作壓力為0.1MPa時(shí),分別為7.126,5.886MPa。將應(yīng)力值代入式(2)獲得的計(jì)算結(jié)果,作為節(jié)點(diǎn)溫度的邊界條件。運(yùn)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(dāng)工作壓力一定時(shí),通過對不同軸速的計(jì)算,得到優(yōu)化前和優(yōu)化后油封節(jié)點(diǎn)溫度隨轉(zhuǎn)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(shù)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的最高溫度分布形狀都滿足密封要求,且隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加,該結(jié)果與已有研究結(jié)果趨勢相同比較優(yōu)化前、優(yōu)化后的溫度分布圖可知,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℃,這是由于優(yōu)化后的油封實(shí)際接觸寬度低于優(yōu)化前油封,更易于散熱。表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)模型動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)溫度場的分布有助于延緩油封的老化現(xiàn)象。圖7示出轉(zhuǎn)速為600r/min時(shí)優(yōu)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(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。3.3不同轉(zhuǎn)速時(shí)的泵駁率結(jié)果分析油封運(yùn)行時(shí),在接觸壓力和密封介質(zhì)的作用下,在油封唇口與旋轉(zhuǎn)軸表面間會形成一層穩(wěn)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(zhuǎn)速過小,不易形成潤滑油膜,油封與旋轉(zhuǎn)軸之間處于干摩擦狀態(tài),加速油封的磨損;軸轉(zhuǎn)速過大,則會加強(qiáng)油封唇口兩側(cè)潤滑油流動(dòng),同時(shí)唇面也會產(chǎn)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(dǎo)致潤滑油泄漏。其他條件一定時(shí),膜厚只與軸轉(zhuǎn)速有關(guān),在流體動(dòng)力作用下,膜厚隨著轉(zhuǎn)速提高而變大,且回流率也相應(yīng)增加,從而導(dǎo)致泵汲率增加。根據(jù)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(jìn)而求出抱軸力,結(jié)構(gòu)參數(shù)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(zhuǎn)速時(shí)泵汲率的變化情況,如圖8所示?？梢?所分析的2種油封參數(shù)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的泵汲率分布形狀都滿足密封要求,且隨著軸轉(zhuǎn)速的增大,泵汲率基本成線性增加,該結(jié)果與已有的試驗(yàn)研究結(jié)果趨勢相同由圖8可知,優(yōu)化前的油封,泵汲率隨著軸轉(zhuǎn)速增加而增大,且趨勢比較緩慢;而優(yōu)化后油封泵汲率隨著軸轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出近似線性增長的趨勢,且趨勢比較快。比較優(yōu)化前、優(yōu)化后油封的泵汲率分布可知,優(yōu)化后油封的最高泵汲率明顯高于優(yōu)化前油封的最高泵汲率,且變化幅度比較大,表明優(yōu)化參數(shù)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(zhuǎn)軸之間的摩擦扭矩作為衡量油封密封性能的重要指標(biāo)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(dǎo)致油封唇口部位磨損加劇,同時(shí)使密封區(qū)域產(chǎn)生大量的熱,造成密封接觸區(qū)域溫升加快而加速橡膠材料的變形和老化,進(jìn)而對油封密封性能產(chǎn)生影響。根據(jù)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(shù)取值為:μ4轉(zhuǎn)速對密封性能的影響(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(zhuǎn)速的增加,油封最高溫度逐漸增加,轉(zhuǎn)速與溫度近似呈線性關(guān)系,且橡膠材料隨轉(zhuǎn)速的增大而加速磨損。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