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油封的接触宽度旋转轴唇圈（（油封）广泛应用于机械工程、汽车、床、采矿、航空、船舶、国防等行业。油封的密封性能研究主要通过有限元软件分析和数值计算2种方法。文献[3]利用ABAQUS有限元分析软件,分别对有无弹簧2种情况下的过盈量、弹簧劲度系数及理论接触宽度对油封接触压力分布和接触宽度的影响进行了研究,分析了旋转轴转速和唇口与轴之间的摩擦系数等运行参数对油封摩擦扭矩的影响。王宝森等通过建立有限元平面轴对称模型分析了油封的唇角、接触宽度等结构参数对接触压力的影响综上所述,有限元分析软件因易于获得油封唇口处的接触压力分布情况,在油封的结构参数优化中得到广泛应用,油封温度场和泵汲率的研究因涉及到宏观和微观因素的影响,则多通过数值计算模型计算。本文基于ABAQUS有限元软件,并集成数值计算研究方法,对两组不同参数(定义为优化前和优化后)的油封唇口接触压力和温度场分布分析,计算油封的泵汲率和摩擦扭矩密封性能指标,扩展了基于有限元软件分析油封密封性能的研究方法。1油压的结构参数和有限分析模型1.1初始安装的旋转轴唇形密封结构本文研究选取的旋转轴唇形油封为带弹簧的内包金属骨架型,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,密封圈与旋转轴为过盈装配,并通过一个弹簧将油封唇紧紧压在旋转轴上。其中α为油侧唇角,β为空气侧唇角,b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。优化前结构:b=0.3mm,α=45°,β=20°,过盈量S=0.45mm,T=1.1mm;优化后结构:b=0.22mm,α=35.41°,β=15.25°,过盈量S=0.41mm,T=1.04mm。1.2油封的热分析参数本文选取的旋转轴唇形油封,其主体材料选用丁腈橡胶(NBR),邵尔A型硬度为75,由硬度计算弹性模量。采用2项参数的Mooney-Rivlin模型描述其力学性能,密封圈参数C油封的温度场分析采用三维热结构问题进行分析,划分网格时,油封采用C3D8RT单元类型,如图3所示,密封材料热物性参数见表1。通过ABAQUS软件的Property模块,按照表1中材料的热物性参数值来定义油封构件的材料属性。其中热传导系数取值为K油封密封圈在工况下,其对流换热属于强制对流,工作介质为油,根据表2并查阅相关参考资料确定对流换热系数为α=530W/(m油封的工况参数为:主轴转速为1000r/min,工作压力为0.1MPa,环境温度为20℃,摩擦因数0.2。2油封闭液、泵集率、摩擦扭矩的计算2.1油封非稳态温度场的热传导微分方程根据建立的油封温度场有限元分析模型,选取三维热结构问题进行分析,根据能量守恒定律和傅里叶第一定律得出油封非稳态温度场的热传导微分方程式中Tt——时间,sc——橡胶材料的比热容,J/(kg·K)ρ——橡胶材料的密度,kg/mλQ——橡胶材料的生热率,J/(kg·s)式中Qt于是,摩擦生热的热流密度q式中k——导热矩阵——密封圈实体沿径向的温度梯度∂k-——热量流向温度梯度降低的区域2.2旋转轴泵驳率的推导泵汲效应是油封的动态密封机理,泵汲现象是宏观和微观结构共同作用的结果。研究发现,新油封件并不存在微观唇口槽道,经过运行磨合后形成微观槽道,为泵汲提供微观基础。在偏心作用下,具有微观槽道的密封唇相对旋转轴除了作旋转运动外,还存在轴向微观往复运动,因此,泵汲率是通过往复运动密封原理进行推导计算。文献[11]提出了以油侧和空气侧压力梯度表示的泵汲率表达式:式中,负号表明密封间隙内润滑油膜内的流体的净流量指向内侧(即油侧),是向内泵汲的效果。由于公式两边的压力梯度不易计算,为了方便分析,假设唇口接触压力分布近似为三角形,如图4所示。图中D为旋转轴轴径,P文献[11]提出了包含可以直接反映对泵汲率有重要影响的轴转速和抱轴力的泵汲率表达式:式中η——接触温度时动态流体膜黏度b——接触宽度G——抱轴力,G=πFD2.3旋转轴密封轴类唇形油封的摩擦扭矩是影响油封密封性能及寿命的重要特性参数之一,它与旋转轴的状态(材质、公差、表面粗糙度等)、润滑状态(温度、润滑介质、润滑方式等)和工作状态(轴转速、油封密封唇口相对于旋转轴的偏心等)有关。油封密封唇的摩擦状态可通过摩擦扭矩来反映。通常,在保证密封性能的前提下,应适当减小摩擦力矩,从而降低油封唇口温度,维持油封唇与轴之间良好的接触状态。油封的摩擦扭矩T式中TTϑ——接触温度∑R3旋转轴与主唇间的预密封束的确定,把油封的轴进行油封的有限元分析时,将油封结构的钢件部分作为油封密封圈的边界约束,边界条件分3步:(1)沿着油封的轴向施加适当的位移,使旋转轴与主唇接触达到预工作状态;(2)在油封的内侧,即未与密封沟槽接触的表面施加系统的油压p;(3)在应力分析中直接定义节点温度。3.1油封的接枝作用油封唇口的接触压力及其分布是计算油封泵汲率和摩擦扭矩的依据,同时也是判断油封是否满足密封的判断条件。油封没有失稳的情况下,油封密封性能的好坏,主要取决于油封唇口与轴径之间油膜的厚度及接触压力的分布状态,而后者是前者的决定因素,接触压力的大小及分布直接影响着油膜的形成及存在状态,也就间接地影响着油封的密封性能和使用寿命。图5所示描述了优化前和优化后2个二维轴对称模型油封唇口在安装状态下接触压力变化的分布曲线。可见,所分析的2种油封参数在相同工作压力时的唇口接触压力分布形状都满足密封要求。由图5可知,油封唇口接触压力在轴向的分布趋势一致,在接触密封面上,油侧接触压力最大,在空气侧又逐渐减少为0。优化前的油封,油封唇口接触压力随着接触区域轴向位置的增大而呈先上升后下降趋势;而优化后油封唇口接触压力随着接触区域轴向位置的增加呈现出先上升后下降的趋势,且下降趋势比较缓慢。比较优化前、优化后油封唇口的接触压力分布可知,优化后油封的最大唇口接触压力为6.335MPa,明显高于优化前油封的最大唇口接触压力3.997MPa,表明优化参数后的油封模型可产生有利于密封的压力分布形状,可提高油封的密封效果。3.2不同转速下油封节点温度分析通常,唇形油封唇口温度的高低取决于唇口与旋转轴在高速旋转状态下的摩擦热的大小。油封唇口温度作为选取油封橡胶材料的标准,可以防止油封唇口工作温度随轴转速的提高而上升,过度温升超过了橡胶油封的工作温度上限时会造成加速油封唇口橡胶变形、老化,导致油封密封失效。因此,轴速对油封唇口工作性能有着重要影响,研究轴转速对唇口温度分布的影响是十分必要的。温度分析时,是将对油封结构应力应变分析获取的需要节点最大应力应变值代入式(2),从而求解出密封圈节点最大生热率,并将其值作为体载荷施加到密封圈上。本文优化前和优化后两种三维油封模型在相同转速(n=1000r/min)不同压力下分析得到的最大应力值如表3所示;同样分析可得到不同转速时,两种模型节点最大应力值,出现在工作压力为0.1MPa时,分别为7.126,5.886MPa。将应力值代入式(2)获得的计算结果,作为节点温度的边界条件。运用式(3)求解出密封圈的热流密度,并将其值作为面载荷施加于密封圈密封面上。当工作压力一定时,通过对不同轴速的计算,得到优化前和优化后油封节点温度随转速变化趋势,如图6所示。从图6可见,所分析的2种油封参数在不同转速时的最高温度分布形状都满足密封要求,且随着转速的增加而增加,该结果与已有研究结果趋势相同比较优化前、优化后的温度分布图可知,优化后最高温度为51.73℃,明显低于优化前最高温度62.30℃,这是由于优化后的油封实际接触宽度低于优化前油封,更易于散热。表明优化后的结构参数模型动态运行时温度场的分布有助于延缓油封的老化现象。图7示出转速为600r/min时优化后唇口部位的温度分布。显然,在油封的主唇接触部位温度由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。3.3不同转速时的泵驳率结果分析油封运行时,在接触压力和密封介质的作用下,在油封唇口与旋转轴表面间会形成一层稳定的润滑油膜,起到密封的效果。轴速对润滑油膜的形成起主要作用,轴转速过小,不易形成润滑油膜,油封与旋转轴之间处于干摩擦状态,加速油封的磨损;轴转速过大,则会加强油封唇口两侧润滑油流动,同时唇面也会产生高温和磨损,造成密封唇口对轴的跟随性能下降,如果温度高于橡胶材料最高允许使用温度,会加速唇口老化破坏,且由于跟随性能下降会造成油膜过厚而导致润滑油泄漏。其他条件一定时,膜厚只与轴转速有关,在流体动力作用下,膜厚随着转速提高而变大,且回流率也相应增加,从而导致泵汲率增加。根据有限元分析得到的唇口处的接触压力(表3),获得径向力值,进而求出抱轴力,结构参数取值如图1所示,并取η=11.13mPa·s,D=60mm,n=200~2000r/min,代入式(5)可得到不同转速时泵汲率的变化情况,如图8所示。可见,所分析的2种油封参数在不同转速时的泵汲率分布形状都满足密封要求,且随着轴转速的增大,泵汲率基本成线性增加,该结果与已有的试验研究结果趋势相同由图8可知,优化前的油封,泵汲率随着轴转速增加而增大,且趋势比较缓慢;而优化后油封泵汲率随着轴转速的增加呈现出近似线性增长的趋势,且趋势比较快。比较优化前、优化后油封的泵汲率分布可知,优化后油封的最高泵汲率明显高于优化前油封的最高泵汲率,且变化幅度比较大,表明优化参数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油封的磨损程度油封唇口与旋转轴之间的摩擦扭矩作为衡量油封密封性能的重要指标之一,它反映了油封唇表面的磨损程度。过大的摩擦扭矩会导致油封唇口部位磨损加剧,同时使密封区域产生大量的热,造成密封接触区域温升加快而加速橡胶材料的变形和老化,进而对油封密封性能产生影响。根据有限元分析得到的唇口处的接触压力值(表3),获得径向力值,其它参数取值为:μ4转速对密封性能的影响(1)优化前和优化后2种油封在不同工作参数范围内,油封唇部的接触压力分布、温度分布、泵汲率及摩擦扭矩都满足油封温度工作要求。(2)随着转速的增加,油封最高温度逐渐增加,转速与温度近似呈线性关系,且橡胶材料随转速的增大而加速磨损。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