旋轉(zhuǎn)軸唇形油封密封性能的有限元分析

旋轉(zhuǎn)軸唇形油封密封性能的有限元分析

旋轉(zhuǎn)軸的嘴唇形狀密封（以下簡稱油封）具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、密封好、壽命長、適應(yīng)性好等優(yōu)點。本文作者利用有限元軟件ABAQUS對旋轉(zhuǎn)軸唇形油封的結(jié)構(gòu)參數(shù),如唇形油封的前后唇角和腰厚、接觸寬度及過盈量對其密封性能的影響進行了分析研究,并基于響應(yīng)曲面法對旋轉(zhuǎn)軸唇形油封的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計,為唇形密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和初始安裝提供理論指導(dǎo)。1元模型的構(gòu)建包括旋轉(zhuǎn)軸唇形狀油密封1.1幾何模型的建立研究選取的旋轉(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。為便于建模仿真和研究分析,有限元分析時對密封材料的特性以及邊界約束條件進行如下假設(shè):(1)認為旋轉(zhuǎn)軸唇形油封的橡膠材料不可壓縮;(2)油封密封圈和旋轉(zhuǎn)軸及其接觸邊界區(qū)域均按軸對稱問題解決;(3)由于鋼構(gòu)件構(gòu)成的唇形油封骨架的硬度是橡膠材料的幾萬倍,因此不考慮其變形情況,即旋轉(zhuǎn)軸與金屬骨架視為剛體,只需對橡膠部分進行網(wǎng)格劃分;(4)由于其約束邊界位移導(dǎo)致唇形油封唇口部位產(chǎn)生徑向壓縮;(5)為了分析方便,不考慮潤滑油溫度的改變對唇形油封密封性能的影響。圖2示出了劃分好網(wǎng)格的旋轉(zhuǎn)軸唇形油封的二維軸對稱模型,有限元模型中旋轉(zhuǎn)軸用線條代替,其余部分采用自動劃分的四邊形網(wǎng)格。為了獲得旋轉(zhuǎn)軸與油封唇口之間更為細致的接觸應(yīng)力及其分布情況,從而得到精確的分析結(jié)果,油封唇口部位網(wǎng)格的劃分比周圍區(qū)域細密。1.2橡膠材料應(yīng)力應(yīng)變模型油封的主體材料是丁腈橡膠(NBR),屬于高度非線性的復(fù)合材料,具有非線性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。文中采用兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型來描述橡膠材料的這種應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系即為式中:δ為應(yīng)力;ε為應(yīng)變,其中材料常數(shù)可根據(jù)丁腈橡膠的硬度由經(jīng)驗公式式中:E為橡膠材料的彈性模量,由油封生產(chǎn)廠家提供。文中所分析的油封橡膠材料的IRHD硬度為75,通過計算可得2個材料參數(shù)分別為:2潤滑膜的形成機理旋轉(zhuǎn)軸唇形油封是靠密封唇與軸接觸表面上形成的穩(wěn)定的邊界潤滑油膜實現(xiàn)密封,而潤滑油膜的形成主要取決于油封唇部接觸應(yīng)力的分布狀態(tài)。因此,油封靜態(tài)時的密封性能(即壓力分布狀態(tài))對旋轉(zhuǎn)軸的動態(tài)密封性能起決定作用。下面從密封參數(shù)對油封唇部接觸應(yīng)力的分布狀態(tài)的影響方面,探索其對旋轉(zhuǎn)軸唇形油封密封性能的影響。2.1單位徑向力的影響試驗研究表明,唇口接觸寬度R過小(趨向于0)難以保持油膜,會造成密封油膜的破壞,在軸跳動時容易引起彈簧脫落,不利于密封;R的值過大,油封密封唇與軸之間的接觸寬度和摩擦力過大,會導(dǎo)致摩擦產(chǎn)生的熱量增加,同時還會引起單位徑向力減小,最終導(dǎo)致密封失效。取過盈量S為0.45mm,油側(cè)唇角α為45°,空氣側(cè)唇角β為20°,腰厚T為1.1mm,當R值在0~0.6mm之間變化時(取步長為0.1mm),分析唇形油封唇口接觸壓力沿軸向的分布情況,結(jié)果如圖3所示。顯然,所分析的不同唇口接觸寬度時的壓力分布都滿足密封要求。圖4示出了油封唇口最大接觸壓力隨R的變化曲線圖?？梢钥闯?在其他條件保持不變的情況下,唇口最大接觸壓力隨著R的增加而逐漸減小,這是由于隨著R的增大,油封空氣側(cè)橡膠受到的緊固彈簧的作用力增大,導(dǎo)致作用在油封唇尖部位的作用力減少,從而引起油封唇口抱軸力減少所致。對唇口接觸寬度R的量化研究,為按實際工況需求設(shè)計油封提供了理論依據(jù)。2.2唇口接觸壓力分析前唇角α是指密封圈油側(cè)唇部與旋轉(zhuǎn)軸的夾角。前唇角過大,油封安裝后與軸的接觸面減小,容易引起磨損;前唇角過小,油封油側(cè)唇口抱軸力減少,不易形成泵送。取唇口接觸寬度R為0.3mm,過盈量S為0.45mm,空氣側(cè)唇角β為20°,腰厚T為1.1mm,當油側(cè)唇角α在30°~55°之間變化時(角度增量為5°),分析唇口接觸壓力沿軸向的分布以及唇口最大接觸壓力隨R的變化關(guān)系,分別如圖5和圖6所示。顯然,不同油側(cè)唇角時的唇口接觸壓力分布都滿足密封要求,且隨著前唇角的增大,最大接觸壓力先增大后減小,在35°左右達到最大值,說明油側(cè)唇角在此時密封效果最佳。2.3油封唇口接觸壓力結(jié)果分析油封空氣側(cè)唇角即為后唇角β,是指油封空氣側(cè)唇部與軸的夾角。該值過小,會惡化油封對軸的跟隨性,不利于密封;該值過大,會降低油封的剛度。取唇口接觸寬度R為0.3mm,過盈量S為0.45mm,油側(cè)唇角α為45°,腰厚T為1.1mm,當空氣側(cè)唇角β在10°~35°之間變化時(取步長值為5°),分析油封唇口接觸壓力沿軸向的分布以及唇口最大接觸壓力隨后唇角β的變化曲線,結(jié)果分別如圖7和圖8所示?？梢?不同空氣側(cè)唇角時,唇口接觸壓力分布都滿足密封要求,且隨著空氣側(cè)唇角的增加,唇口最大接觸壓力先快速增大,超過25°后呈逐漸減小趨勢,密封與軸的接觸寬度則隨著空氣側(cè)唇角的增加而顯著減小。因此,當空氣側(cè)唇角為25°時,油封的綜合性能最佳。2.4過盈量對油封唇口接觸壓力的影響過盈量是指在自由狀態(tài)時,旋轉(zhuǎn)軸軸徑與唇形油封唇口內(nèi)徑之差。過盈量太小,油封易造成泄漏;若過盈量太大,在軸高速運轉(zhuǎn)時,因唇口緊貼在旋轉(zhuǎn)軸上,從而引起油封唇口和旋轉(zhuǎn)軸表面溫度迅速上升,將會造成油封唇口橡膠老化速度加快,使油封壽命縮短甚至失效。因此,選擇合適的過盈量十分重要。取唇口接觸寬度R為0.3mm,腰厚T為1.1mm,油側(cè)唇角α為45°,空氣側(cè)唇角β為20°,當過盈量的取值范圍定義在0.35~0.6mm之間(每次的增量設(shè)定為0.05mm),分析油封唇口接觸壓力沿軸向的分布以及唇口最大接觸壓力隨過盈量的變化曲線,結(jié)果如圖9和圖10所示?？梢钥闯?在過盈量取值范圍內(nèi)的壓力分布都滿足密封要求,且最大接觸壓力隨著唇部過盈量的增加而減小,表明過盈量過大反而不利于密封。2.5腰厚t對油封唇口接觸壓力的影響在實際工作中,腰部厚度是影響旋轉(zhuǎn)軸唇形油封隨動性能和密封性能的重要參數(shù)。若腰部厚度過小,則唇口對軸具有較好的跟隨性,密封圈在使用時易突出變形;若腰部厚度過大,則對軸的隨動性較差,唇部易磨損破壞,從而引起泄漏,造成密封失效。因此在油封結(jié)構(gòu)設(shè)計中,選擇適當?shù)难亢穸仁欠浅Ｖ匾摹Ｆ渌麉?shù)保持不變,取唇口接觸寬度R為0.3mm,過盈量S為0.45mm,油側(cè)唇角α為45°,空氣側(cè)唇角β為20°,當腰部厚度在0.8~1.4mm之間時(每次的增量設(shè)定為0.1mm),分析油封唇口接觸壓力沿軸向的分布以及唇口最大接觸壓力隨腰部厚度的變化情況,結(jié)果如圖11和圖12所示。可以看出,在分析的腰部厚度范圍內(nèi),其唇口接觸壓力分布均滿足密封要求,且唇口最大接觸壓力隨著唇形油封腰部厚度的增大而增加,表明腰部厚度的增大對油封的密封性起有利作用。3影響油封唇口接觸壓力的實驗因素和因子響應(yīng)曲面法(ResponseSurfaceMethod,RSM),也稱為回歸設(shè)計,是通過適當?shù)脑囼炘O(shè)計來獲得需要的數(shù)據(jù),利用多元二次回歸方程來擬合因素與響應(yīng)值之間函數(shù)關(guān)系,并通過對響應(yīng)曲面及等值線的分析獲取最佳工藝參數(shù)組合方案,處理相應(yīng)變量問題的一種傳統(tǒng)統(tǒng)計優(yōu)化方法根據(jù)響應(yīng)曲面法,利用相關(guān)文獻[11-12]和初步試驗來進一步確定影響油封唇口接觸壓力的實驗因素和因子水平。以旋轉(zhuǎn)軸唇形油封唇口最大接觸壓力具有望目特性作為響應(yīng)優(yōu)化目標,選擇油封的接觸寬度、前后唇角、過盈量以及腰厚5因子進行優(yōu)化設(shè)計。如圖13和圖14所示的三維響應(yīng)曲面圖,可以清晰地看出各因子對響應(yīng)變量的影響程度。曲面圖中等高線的形狀彎曲且比較陡時,表明這些因子之間交互效應(yīng)對響應(yīng)變量接觸壓力的影響顯著。在響應(yīng)變量為最大接觸壓力時的方差分析中,接觸寬度與其他4個因子、前唇角與過盈量和腰厚、腰厚與后唇角和過盈量之間的二階交互效應(yīng)均不顯著,因此在計算過程中不需要考慮以上2個交互效應(yīng)。接觸寬度、油側(cè)唇角、空氣側(cè)唇角、過盈量、腰厚5因子的優(yōu)化結(jié)果如圖15所示,其中,y表示望目特性的目標值,d表示復(fù)合合意性(即越接近設(shè)定目標,此值就越向1靠攏)。當旋轉(zhuǎn)軸唇形油封的接觸寬度為0.22mm、油側(cè)唇角為35.41°、空氣側(cè)唇角為15.25°、過盈量為0.41mm、腰厚為1.04mm時,達到期望值,密封性能最優(yōu)。4空氣側(cè)唇角及封閉壓力(1)在研究的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍內(nèi),旋轉(zhuǎn)軸唇形油封唇部的接觸應(yīng)力分布都呈現(xiàn)出唇口最大接觸壓力在靠近油側(cè)區(qū)域出現(xiàn),而在空氣側(cè)區(qū)域逐漸減小。(2)旋轉(zhuǎn)軸唇形油封主密封面的最大接觸壓力隨著接觸寬度的增大而逐漸減小,隨著前唇角的增加先增大后減小,在35°左右時達到最大