旋转轴唇形油封温度场仿真分析

旋转轴唇形油封温度场仿真分析

旋转轴唇圈（（油密封）是机械、化工、汽车、航空、船舶和国防等领域应用的最重要的基本件件。它用于防止轴向外泄漏，防止灰尘和杂质的外部污染。针对油封温度场的研究,目前主要采用数值分析法和有限元软件分析法。KANG和SADEGHI1油压元模型的构建1.1旋转轴唇形密封以带弹簧的内包金属骨架型旋转轴唇形油封为研究对象,其型号为60mm×80mm×8mm,油封的主体材料是丁腈橡胶(NBR)。图1所示为初始安装的旋转轴唇形密封结构示意图,密封圈与旋转轴为过盈装配,其中α为油侧唇角,β为空气侧唇角,R为未变形时油封唇尖部位与弹簧槽中心的轴向距离,也称为唇口接触宽度,T为腰厚。油封密封是靠挠性密封元件与旋转轴之间的过盈配合实现的。相对转动时,密封界面形成一层稳定的流体动压油膜,该油膜起润滑和密封作用。油膜太厚,就会产生泄漏;油膜太薄,如不能形成流体润滑膜,唇部会出现磨损并使密封件局部受热,产生较大的能量损耗,最终导致密封件破坏。1.2油封的模型设计油封在工作过程中,密封界面的滑动摩擦产生摩擦热,同时由于密封圈材料具有黏弹性,运转生热也会导致热滞后。因此,旋转唇形油封温度场研究涉及到结构力学、热力学、材料力学、摩擦学等多学科理论。为便于建模仿真和分析,文中有限元分析时对密封材料的特性以及边界约束条件所作的假设如下:(1)密封圈与工作介质采用以对流为主的传热方式,密封圈与缸体和旋转轴采用以热传导为主的传热方式;(2)在启动瞬间,密封装置在摩擦接触面上的温度一定,且旋转轴与密封圈在接触区域受力均匀;(3)损失的能量全部转化为热能;(4)油封采用的丁腈橡胶材料具有各向同性,材料的属性和热物理特性不随温度升高而变化;(5)不考虑润滑油温度的改变对唇形油封密封性能的影响;(6)不考虑密封间隙泄漏带走的摩擦热,认为密封环传递所有摩擦热。油封的主体材料选用丁腈橡胶(NBR),其邵尔A型硬度为75。由硬度计算弹性模量,采用两参数的Mooney-Rivlin模型描述其力学性能。密封圈参数C划分网格时,油封采用C3D8RT单元类型,即八结点热耦合六面体单元,三向线性位移,三向线性温度,减缩积分,沙漏控制。由于油封的失效多发生在与旋转轴配合的唇尖部位,因此建模时需要创建唇尖的实际角度;为了获得较准确的计算结果,需要细化唇尖部位的划分网格,建立的唇形油封有限元模型如图2所示。2油封温度场热分析模块2.1材料密度及损耗因子文中旋转轴唇形油封采用三维热结构模型,根据能量守恒定律和傅里叶第一定律得出的如式(1)所示的油封非稳态温度场的热传导微分方程式中:T为温度,K;t为时间,s;Q为橡胶材料的生热率,J/(kg·s);c为橡胶材料的比热容,J/(kg·K);ρ为橡胶材料的密度,kg/m在唇形油封的工作状态下,其任意单元在一个周期内节点产生的热量表达式式中:σ为最大应力;ε为最大应变值。唇形油封工作状态下其应力、应变随时间的变化的关系为将式(3)综合化简后得到的应力应变的函数关系为式中:E联立方程式(2)、(3)和(4),化简后可得唇形油封每一个周期内能量损失的数学表达式为式中:tanδ为材料损耗因子,损耗因子是用来表征橡胶密封圈热功耗的一个重要参数。由于实际经济条件的限制,文中参考前人的实验基础取损耗因子tanδ=0.03由假设(3)及式(5)可知,油封密封圈单个周期内其节点生热率的表达式为式中:T于是,通过分析唇形油封摩擦生热所得的热流密度数学表达式为式中:2.2油封的工作参数密封介质的特性、油封的工作参数和密封材料的热物理性能对油封温度场的分布有着重要的影响。文中油封的工作参数为:主轴转速1000r/min,工作压力0.1MPa,环境温度20℃,摩擦因数0.2。密封材料热物性参数见表1。在ABAQUS有限元软件的Property模块中定义唇形油封的材料属性。2.3表面对流换热系数材料导热系数的大小与物质的种类、温度等诸多因素有关,许多材料的导热系数都允许采用线性近似关系对流换热系数是指流体、固体接触表面之间的换热能力,表面对流换热系数的大小与换热过程中流体的物理性质(如:比热容、黏度和热导率)、油封的表面形状、流体的流动状态以及表面与流体之间的温差等诸因素有关。在不同的状况下,唇形油封换热表面对流换热系数的数值参考的大致数量级如表2所示。由于唇形油封在运行条件下的对流换热属于强制对流,且油液为工作介质,因此根据表2并查阅相关参考资料确定对流换热系数α=530W/(m2.4模型边界条件唇形油封密封圈温度场研究,属于三维热分析问题,计算式(1)热传导方程的唯一解,需要明确密封圈的边界约束和加载方式。密封圈的边界散热与工作介质、表面状况及环境温度等诸多因素有关,相较于橡胶,钢件结构所发生的微小变形可以忽略不计,因此钢件结构定义为唇形油封的边界约束,边界条件的施加分三步:首先,对唇形油封施加适当的轴向位移,使旋转轴与主唇接触并达到预工作状态;其次,将系统的油压p施加到唇形油封的内侧区域;然后,在应力分析中直接定义节点温度,施加到指定区域。通过对唇形油封结构进行应力应变分析,将所得节点最大接触压力值带入式(6)来获得所需要的节点最大生热率作为体载荷施加到油封件。文中优化前和优化后2种油封模型在不同压力下分析得到的最大应力值如表3所示。同样分析可得到同一工作压力下,不同转速时2种油封模型节点最大应力值分别为7.126和5.886MPa。将应力值代入式(6)获得的计算结果,作为节点温度的边界条件。运用式(7)求解出所需要的唇形油封的热流密度作为面载荷施加于油封密封区域,对油封温度场进行分析,并将分析过程中所用到的诸参数列出如表1所示。根据实际密封结构的不同换热区域,综合考虑以上边界条件进行模拟分析,忽略密封体系的热辐射热交换方式。3参数变化时的仿真通过对型号为60mm×80mm×8mm的旋转轴唇形油封,以优化前后2两组参数进行仿真分析,当改变旋转轴转速、工作压力时,得到了油封摩擦面上的温度最大值的变化情况。3.1唇口温度的影响油封在工作过程中,唇口与旋转轴过盈接触形成的摩擦面,在相对运动时会产生大量的摩擦热,使摩擦面上的温度升高。将油封的唇口温度作为选取油封橡胶材料的依据,可防止唇口的工作温度高于橡胶油封的许用温度,从而避免橡胶的加速变形和老化以及油封的密封失效。在工作压力不变时,通过改变旋转轴的转速,得到优化前后2种油封节点温度随转速变化趋势如图3所示。显然,所分析的2种油封在不同转速时的最高温度分布随着转速的增加而增加,且2种油封都满足密封要求。该结果与已有研究结果比较优化前、优化后油封的温度分布图可知,优化后最高温度为51.73℃,明显低于优化前最高温度62.30℃,表明优化后的结构参数模型更符合密封性能的要求,对油封的密封性起有利作用。3.2不同工作压力下的温度分布当转速为1000r/min时,分析不同的工作压力对油封最高温度分布的影响,结果如图4所示。可见,优化前后的2种油封参数在不同工作压力时的最高温度分布都满足密封要求。由图4可知,优化前的油封,当工作压力为0.14MPa时,由于接触压力突然增大使得温度也增高,但油封整体最高温度随着工作压力的增大而呈下降趋势;而优化后油封最高温度随着工作压力的增加呈现出线性下降的趋势,且趋势比较缓慢。比较优化前、优化后油封的温度分布可知,优化后油封的最高温度为30.97℃,明显低于优化前油封的最高温度36.90℃,且变化幅度也趋于缓慢,表明优化参数后的油封模型具有良好的散热条件,可提高油封的使用耐久性。3.3油封的温度分布摩擦面上产生的热量以不同的方式散发,使得散热区域的温度分布也发生了相应的变化。图5给出了温度场模型,图6和图7分别给出转速为600r/min时优化前与优化后唇口部位的温度分布。可见,优化前与优化后的油封模型,唇口温度分布都满足密封要求。优化前油封的最高温度出现在副唇部位,且越靠近中间部位温度越高;优化后油封的较高温度出现在主唇接触部位,且从两侧向中间逐渐增加,最高温度出现在中间靠近空气侧。这是由于摩擦面的两端受两侧流场的影响较大,况且空气的导热系数远小于润滑油的导热系数,通过空气的散热效果相对于通过润滑油的散热效果较差引起的。因此,优化后的油封模型相对于优化前的模型温度分布云图更符合密封要求,且优化后唇口部位最高温度明显低于优化前唇口区域的最高温度。4不同优化前后油封的温度分布(1)优化前和优化后2种油封在不同工作参数范围内,油封唇部的温度分布都满足油封温度工作要求。(2)在一定工作压力下,随旋转轴转速的增加,油封最高温度随之逐渐增加,转速与温度近似呈线性关系,且转速越大唇形橡胶油封越容易摩擦损坏。优化前油封相较于优化后油封,转速对最高温度的影响较为显著,优化后油封温度的变化幅度趋于缓慢,更有利于油封的密封性能及其散热性能。(3)在转速一定时,唇形橡胶油封的最高温度随着工作压力的升高而减小,优化前油封相对于优化后油封,工作压力对唇形油封温度影响较为显著,优化后油封随着工作压力的变化,其密封性能及散热性能都较优化前好。(4)摩擦面上最高温度位于中间靠近空气侧部位的节点处,且从两端向中间呈现出逐渐升高的趋势。基于优化前与优化后的油封的温度分布