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

由于結(jié)構(gòu)簡單、拆卸方便、密封可靠性好，旋轉(zhuǎn)軸唇形密封（通常稱為油密封）廣泛應(yīng)用于挖掘機(jī)、汽車等手術(shù)機(jī)械中。由于油封的密封性能受油封唇口的壓力分布、接觸寬度、過盈量、彈簧勁度系數(shù)、兩側(cè)唇角、油膜厚度和功耗等因素的影響,傳統(tǒng)設(shè)計的油封密封性能在實(shí)驗評價之前不可預(yù)見,使得基于有限元分析軟件的油封密封性能的研究得到重視。為研究油封工作時接觸摩擦引起的磨耗導(dǎo)致的密封失效,陳舒萍1元模型的構(gòu)建1.1油封的有限元模型如圖1所示為油封基本結(jié)構(gòu),x、y和z分別表示徑向坐標(biāo)、軸向坐標(biāo)和周向坐標(biāo)。傳統(tǒng)的有限元建模方法通常建立軸對稱平面模型,并對油封外表面進(jìn)行全約束,密封唇部與軸是過盈配合,在建模時使二者剛好接觸,即將旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)徑縮小到油封內(nèi)徑大小。在模擬安裝過程時,只需給軸一個徑向位移,位移值恰好是過盈量大小,同時給軸向位移約束,以此得到預(yù)壓縮狀態(tài)的有限元模型,如圖2(a)所示。本研究作者采用的建模方法同樣是對油封外表面進(jìn)行全約束,但旋轉(zhuǎn)軸和油封均按照實(shí)際尺寸建模,開始時將旋轉(zhuǎn)軸和油封軸向分離,然后通過將旋轉(zhuǎn)軸沿軸向移動推進(jìn)油封中,從而得到預(yù)壓縮狀態(tài)的油封模型,有限元模型如圖2(b)所示。由于油封的平面軸對稱有限元模型,只是三維實(shí)體模型的一種簡化,如果將平面軸對稱模型擴(kuò)展還原為三維實(shí)體模型后,再用傳統(tǒng)方法(如圖3(a)所示)使旋轉(zhuǎn)軸徑向移動擠壓油封,顯然不具有科學(xué)性且無法操作。因此,本文作者全部采用軸向推動法(如圖3(b)所示)進(jìn)行建模。1.2軸向移動法結(jié)果分析建模所選油封為某汽車減速箱輸出軸的油封,其型號55mm×75mm×8mm,油封材料為丁腈橡膠(NBR)。由于油封的結(jié)構(gòu)復(fù)雜和其材料的非線性變形等特點(diǎn),為了建模和分析方便,簡化了一些對結(jié)果不會產(chǎn)生較大影響的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)?？紤]到油封裝配時的完全軸對稱性,靜態(tài)密封分析(如分析過盈量、接觸寬度、彈簧勁度系數(shù)等參數(shù)對密封性能的影響)時,采用軸向移動法建立的二維軸對稱模型來模擬實(shí)際中的三維問題,這種簡化不會影響分析結(jié)果,但是將大大減少建模及分析的時間。但在分析旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速以及摩擦因數(shù)等動態(tài)因素影響時,由于二維模型缺少周向自由度,無法模擬動態(tài)過程,所以將二維模型拓展為三維模型進(jìn)行分析。丁腈橡膠是高度非線性的復(fù)合材料,具有非線性的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系。采用兩參數(shù)Mooney-Rivlin模型來表示橡膠材料應(yīng)力、應(yīng)變的各項性能。材料的應(yīng)變能函數(shù)為式中:δ是應(yīng)變;ε是應(yīng)力;材料常數(shù)可根據(jù)丁腈橡膠的硬度由經(jīng)驗公式所分析的油封橡膠材料的IRHD硬度為70,通過計算可得材料參數(shù)分別為:C2油封靜態(tài)模擬的結(jié)果和分析2.1過盈量s的影響過盈量是指在自由狀態(tài)(未裝彈簧時)唇口直徑與軸徑之差。它可產(chǎn)生唇口無彈簧時的徑向力,并補(bǔ)償軸的偏心。過盈量過小,在安裝偏心和軸向跳動量大時,容易造成泄漏,降低密封性;過盈量太大,唇口緊貼在軸上,唇軸間的間隙過小,唇和軸之間呈“干接觸”,在高速旋轉(zhuǎn)下,唇和軸表面間便會迅速產(chǎn)生高溫,加速唇口老化,甚至燒損密封唇,使密封無效。因此,選擇適當(dāng)?shù)倪^盈量是保證油封正常工作的重要參數(shù)。在有彈簧和無彈簧2種情況下分別對過盈量為0.2~0.6mm時進(jìn)行漸變分析,圖4示出了隨過盈量S的變化唇口接觸壓力沿軸向的分布情況?？芍?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)又逐漸減小為0;隨著過盈量的增大,唇口最大接觸壓力呈現(xiàn)出增大趨勢,當(dāng)過盈量S=0.45mm時達(dá)到最大值,隨后逐漸下降;而接觸寬度隨著過盈量的增大一直呈現(xiàn)出增大的趨勢。由此得出,過盈量增加,不僅影響唇口最大接觸壓力,而且唇口接觸寬度也逐漸增加。在最大接觸應(yīng)力下,即過盈量S=0.45mm時,油封在有彈簧和無彈簧2種情況下接觸壓力沿軸向的分布如圖5所示,圖6所示為有無彈簧2種情況下唇口最大接觸壓力隨過盈量的變化情況;圖7所示為有無彈簧2種情況下唇口實(shí)際接觸寬度隨過盈量的變化趨勢?？梢?過盈量相同的情況下,帶彈簧時的接觸壓力明顯高于無彈簧時的接觸壓力,兩種情況下的最大接觸壓力和接觸寬度隨過盈量的變化趨勢相同,但在數(shù)值上帶彈簧時的最大接觸壓力和接觸寬度都高于不帶彈簧時的值。由于彈簧的約束能夠提高油封唇口的接觸應(yīng)力,增加密封面的接觸寬度,提高油封密封性能。因此,在實(shí)際工況中應(yīng)根據(jù)壓力需要選擇合適的過盈量并適當(dāng)設(shè)置油封彈簧。2.2彈簧勁度系數(shù)k的影響彈簧對于油封的密封性能影響十分明顯,因此,實(shí)際工況中對于彈簧的設(shè)計也是一個很重要的課題研究彈簧勁度系數(shù)的影響時,其他參數(shù)保持不變,對彈簧勁度系數(shù)K在0.8~4.4N/mm之間進(jìn)行漸變分析分析結(jié)果表明,唇口最大接觸壓力和接觸寬度都是隨彈簧勁度系數(shù)的增加而增加,這也充分體現(xiàn)出了彈簧在油封密封性能方面所起的作用。2.3接觸寬度對接觸壓力的影響理論接觸寬度R是指密封圈唇口平面到彈簧槽中心平面的距離。R的大小對油封的密封性能具有重要作用,因此應(yīng)將其控制在一個合理的范圍內(nèi)分析結(jié)果表明,隨著理論接觸寬度的增大,唇口接觸壓力沿軸向的分布趨勢一致,但唇口的最大接觸應(yīng)力和實(shí)際接觸寬度表現(xiàn)出遞減的趨勢。這是由于隨R值增大,彈簧中心距唇尖的距離增大,彈簧對唇口的約束作用減弱導(dǎo)致的。3油壓動態(tài)模擬的結(jié)果和分析3.1軸類壓縮器的過程中的量測不足工況下的油封與旋轉(zhuǎn)軸之間的摩擦力決定了油封的生熱量以及摩擦扭矩等重要指標(biāo),從而直接影響油封的工作壽命。在抱軸力相同的情況下,對摩擦因數(shù)的量化分析,對降低摩擦損耗,延長油封的使用壽命和保證良好的密封性具有重要作用。圖14所示為唇口最大接觸壓力隨摩擦因數(shù)的變化曲線;圖15所示為動態(tài)條件下摩擦因數(shù)和摩擦扭矩的關(guān)系曲線。分析結(jié)果表明,在過盈量及彈簧勁度不變的條件下,隨摩擦因數(shù)的增大,唇口最大接觸壓力緩慢的增大;在抱軸力不變的情況下,摩擦扭矩隨摩擦因數(shù)的增加,表現(xiàn)出明顯的遞增趨勢。這個分析結(jié)果對工況下如何通過改變摩擦因數(shù)控制摩擦扭矩提供了理論依據(jù)。3.2旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n的影響油封的摩擦扭矩是反映唇口摩擦狀況的重要參數(shù)之一。在保證密封的前提下,應(yīng)適當(dāng)減小摩擦扭矩,降低摩擦損耗,保證油封唇口和旋轉(zhuǎn)軸有良好的接觸分析結(jié)果表明,其他條件不變時,軸轉(zhuǎn)速的變化對唇口最大接觸壓力和摩擦扭矩的影響不大。4彈簧勁度系數(shù)和油封的概念有以下優(yōu)勢(1)油封唇口的接觸應(yīng)力分布,最大接觸壓力總是出現(xiàn)在靠近油側(cè),在空氣側(cè)逐漸減低。(2)靜態(tài)分析時,在有無彈簧2種情況下,過盈量均對唇口最大接觸壓力影響不大,但隨著過盈量的增大,接觸寬度明顯遞增;在過盈量相同時,彈簧對于提升唇口壓力和接觸寬度作用明顯。而且彈簧勁度系數(shù)愈高,作用愈明顯;而隨著理論接觸寬度的增加,唇口最大接觸壓力和接觸寬度均表現(xiàn)出遞減趨勢,但作用效果不如改變彈簧勁度系數(shù)明顯。(3)動