旋转轴唇形工件磨损仿真分析

旋转轴唇形工件磨损仿真分析

由于旋转轴表面的良好耐腐蚀性和低磨损性，旋转轴表面的自蚀性得到了广泛使用。早期对密封件使用寿命的预测主要是通过对大量实验数据统计得出，但是这种方式需要花费大量的人力物力。为此，SALANT与FLAHERTY本文作者使用有限元分析软件Abaqus对旋转轴唇形密封件的磨损进行模拟，通过UMESHMOTION用户子程序来控制局部区域的网格自适应划分进而实现密封件的动态磨损过程橡胶密封模型1.1外包骨架型油封如图2所示，文中研究对象是带有卡紧弹簧和防尘唇的外包骨架型油封。该结构抗腐蚀性较强，具有较大的密封圈整体刚度，且与机壳间的接触载荷大，可有效阻止润滑介质从副密封界面泄漏以及骨架从腔体中脱落1.2旋转闭合元模型如图3所示，旋转密封件的三维有限元模型由二维轴对称模型旋转而成。1.2.1本构模型及原理密封件本体部分的橡胶材料选用Neo-Hookean超弹性本构模型(1)式中：W表示应变能密度；I为了避免橡胶材料不可压缩性所导致的体积闭锁问题，该部分区域采用密封件的磨损发生在唇口部分，即图2中的4和5所示区域。文中将在这一区域使用1.2.2密封件磨损力的分析密封件与转轴装配后会有较大的过盈量，从而导致显著的接触压力，这是导致密封件产生磨损的重要因素之一。在有限元分析中，摩擦因数设为0.25。为避免初始过盈量过大引起计算不收敛，接触前在唇口处施加一定的预压力，然后逐步释放实现接触。1.2.3配器产生的刚度密封件唇口的载荷可分为两部分：由旋转轴与密封件过盈装配所产生的径向力以及卡紧弹簧产生的径向约束力。其中后者在文中将通过在卡紧弹簧位置处施加等效的均布载荷来实现=进一步得到均布载荷的大小：(3)式中：旋转磨损模拟2.1计算磨损量的程序选用Abaqus/Standard模块进行有限元分析。在完成一个增量步的计算后，UMESHMOTION子程序会提取相应的参数并根据磨损模型计算磨损量，进而根据磨损量调整接触界面的几何形状2.2磨损因子的确定磨损量与实际工况有关，因此在磨损模拟的实现过程中，引入中间变量磨损因子对磨损速率进行调整，磨损因子基于摩擦功计算公式中的力学特征参数推导得到=式中：M表示磨损因子；F滑移率与转动速度及摩擦因数等参数有关M=KF式中K值可根据前期试验拟合得到。基于公式(5),在计算过程中，可根据磨损一定时间后的径向力来调整磨损因子进行下一步运算。模拟结果和分析3.1唇口磨损模拟唇口轮廓是研究橡胶磨损对密封件密封性能影响十分重要的中间变量，磨损导致唇口形状改变，密封件和轴之间的过盈量减小，进而改变接触特征，因此研究唇口轮廓变化具有十分重要的意义。在完成每个增量步后，可以根据唇口表面节点的位置来获得磨损后的唇口轮廓。为了表述方便，建立如图5所示的根据上述坐标系，运用2.1、2.2节的理论及计算方法对唇口进行磨损模拟，其轮廓变化如图6和图7所示。从图6和图7中可以明显地看出，在磨损初期(0～15h阶段),磨损速度较快；而在15～50h之间变化程度相对平缓。因此，可以将磨损分为2个阶段：0～15h快速磨损的初期阶段和15h之后的稳定磨损阶段。从轮廓形貌变化来看，随着磨损时间的增加，唇口轮廓逐渐变得平缓；并且防尘唇的磨损程度要比主唇口更高，说明橡胶磨损主要发生在空气侧。3.2实验验证与分析为了更加直观地得到密封件磨损情况，以及便捷地与实验结果进行对比，文中将计算所得的主唇口磨损深度(因为主唇口承担了主要的密封任务)与实验值进行对比，以验证仿真结果的准确性。从图8中可以看出，长时间磨损情况下，磨损深度仿真计算值与实验值相差较小，其中15h以及50h的磨损深度相差2%左右，符合工业生产要求，验证了该方法的正确性。3.3接触压力变化接触压力作为评定密封件性能的重要参数也是文中研究的重点。在完成每个增量步后，输出不同磨损时间主唇口最外侧节点接触压力，绘制接触压力随轴向位置的变化图，得到接触压力随着磨损时间的变化规律。如图9所示，随着时间的增加，由于唇口材料的磨损，使得密封圈与轴之间的过盈量逐渐减小，从而导致接触压力逐渐减小。从图10中可以看出，在磨损初期0～15h的快速磨损阶段，最大接触压力迅速减小，而随后变化逐渐趋于缓慢。这一现象与图6所示的主唇口轮廓变化规律一致旋转密封件磨损仿真(1)基于密封及磨损机制，采用有限元的方法，运用Abaqus/UMESHMOTION用户子程序对旋转密封件进行磨损模拟，实现了密封件的动态磨损过程和控制局部区域的网格自适应划分，进而实现了对旋转密封件磨损深度及磨损后接触压力的计算。该方法在减少重构模型工作量的同时，一定程度上提高了计算精度。(2)通过使用磨损因子模型并在磨损模拟过程中对其进行动态调整，进而控制磨损速度，可获取更接近实际工况的