旋轉(zhuǎn)軸唇形工件磨損仿真分析

旋轉(zhuǎn)軸唇形工件磨損仿真分析

由于旋轉(zhuǎn)軸表面的良好耐腐蝕性和低磨損性，旋轉(zhuǎn)軸表面的自蝕性得到了廣泛使用。早期對(duì)密封件使用壽命的預(yù)測(cè)主要是通過對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，但是這種方式需要花費(fèi)大量的人力物力。為此，SALANT與FLAHERTY本文作者使用有限元分析軟件Abaqus對(duì)旋轉(zhuǎn)軸唇形密封件的磨損進(jìn)行模擬，通過UMESHMOTION用戶子程序來控制局部區(qū)域的網(wǎng)格自適應(yīng)劃分進(jìn)而實(shí)現(xiàn)密封件的動(dòng)態(tài)磨損過程橡膠密封模型1.1外包骨架型油封如圖2所示，文中研究對(duì)象是帶有卡緊彈簧和防塵唇的外包骨架型油封。該結(jié)構(gòu)抗腐蝕性較強(qiáng)，具有較大的密封圈整體剛度，且與機(jī)殼間的接觸載荷大，可有效阻止?jié)櫥橘|(zhì)從副密封界面泄漏以及骨架從腔體中脫落1.2旋轉(zhuǎn)閉合元模型如圖3所示，旋轉(zhuǎn)密封件的三維有限元模型由二維軸對(duì)稱模型旋轉(zhuǎn)而成。1.2.1本構(gòu)模型及原理密封件本體部分的橡膠材料選用Neo-Hookean超彈性本構(gòu)模型(1)式中：W表示應(yīng)變能密度；I為了避免橡膠材料不可壓縮性所導(dǎo)致的體積閉鎖問題，該部分區(qū)域采用密封件的磨損發(fā)生在唇口部分，即圖2中的4和5所示區(qū)域。文中將在這一區(qū)域使用1.2.2密封件磨損力的分析密封件與轉(zhuǎn)軸裝配后會(huì)有較大的過盈量，從而導(dǎo)致顯著的接觸壓力，這是導(dǎo)致密封件產(chǎn)生磨損的重要因素之一。在有限元分析中，摩擦因數(shù)設(shè)為0.25。為避免初始過盈量過大引起計(jì)算不收斂，接觸前在唇口處施加一定的預(yù)壓力，然后逐步釋放實(shí)現(xiàn)接觸。1.2.3配器產(chǎn)生的剛度密封件唇口的載荷可分為兩部分：由旋轉(zhuǎn)軸與密封件過盈裝配所產(chǎn)生的徑向力以及卡緊彈簧產(chǎn)生的徑向約束力。其中后者在文中將通過在卡緊彈簧位置處施加等效的均布載荷來實(shí)現(xiàn)=進(jìn)一步得到均布載荷的大小：(3)式中：旋轉(zhuǎn)磨損模擬2.1計(jì)算磨損量的程序選用Abaqus/Standard模塊進(jìn)行有限元分析。在完成一個(gè)增量步的計(jì)算后，UMESHMOTION子程序會(huì)提取相應(yīng)的參數(shù)并根據(jù)磨損模型計(jì)算磨損量，進(jìn)而根據(jù)磨損量調(diào)整接觸界面的幾何形狀2.2磨損因子的確定磨損量與實(shí)際工況有關(guān)，因此在磨損模擬的實(shí)現(xiàn)過程中，引入中間變量磨損因子對(duì)磨損速率進(jìn)行調(diào)整，磨損因子基于摩擦功計(jì)算公式中的力學(xué)特征參數(shù)推導(dǎo)得到=式中：M表示磨損因子；F滑移率與轉(zhuǎn)動(dòng)速度及摩擦因數(shù)等參數(shù)有關(guān)M=KF式中K值可根據(jù)前期試驗(yàn)擬合得到?；诠?5),在計(jì)算過程中，可根據(jù)磨損一定時(shí)間后的徑向力來調(diào)整磨損因子進(jìn)行下一步運(yùn)算。模擬結(jié)果和分析3.1唇口磨損模擬唇口輪廓是研究橡膠磨損對(duì)密封件密封性能影響十分重要的中間變量，磨損導(dǎo)致唇口形狀改變，密封件和軸之間的過盈量減小，進(jìn)而改變接觸特征，因此研究唇口輪廓變化具有十分重要的意義。在完成每個(gè)增量步后，可以根據(jù)唇口表面節(jié)點(diǎn)的位置來獲得磨損后的唇口輪廓。為了表述方便，建立如圖5所示的根據(jù)上述坐標(biāo)系，運(yùn)用2.1、2.2節(jié)的理論及計(jì)算方法對(duì)唇口進(jìn)行磨損模擬，其輪廓變化如圖6和圖7所示。從圖6和圖7中可以明顯地看出，在磨損初期(0～15h階段),磨損速度較快；而在15～50h之間變化程度相對(duì)平緩。因此，可以將磨損分為2個(gè)階段：0～15h快速磨損的初期階段和15h之后的穩(wěn)定磨損階段。從輪廓形貌變化來看，隨著磨損時(shí)間的增加，唇口輪廓逐漸變得平緩；并且防塵唇的磨損程度要比主唇口更高，說明橡膠磨損主要發(fā)生在空氣側(cè)。3.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析為了更加直觀地得到密封件磨損情況，以及便捷地與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，文中將計(jì)算所得的主唇口磨損深度(因?yàn)橹鞔娇诔袚?dān)了主要的密封任務(wù))與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。從圖8中可以看出，長(zhǎng)時(shí)間磨損情況下，磨損深度仿真計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相差較小，其中15h以及50h的磨損深度相差2%左右，符合工業(yè)生產(chǎn)要求，驗(yàn)證了該方法的正確性。3.3接觸壓力變化接觸壓力作為評(píng)定密封件性能的重要參數(shù)也是文中研究的重點(diǎn)。在完成每個(gè)增量步后，輸出不同磨損時(shí)間主唇口最外側(cè)節(jié)點(diǎn)接觸壓力，繪制接觸壓力隨軸向位置的變化圖，得到接觸壓力隨著磨損時(shí)間的變化規(guī)律。如圖9所示，隨著時(shí)間的增加，由于唇口材料的磨損，使得密封圈與軸之間的過盈量逐漸減小，從而導(dǎo)致接觸壓力逐漸減小。從圖10中可以看出，在磨損初期0～15h的快速磨損階段，最大接觸壓力迅速減小，而隨后變化逐漸趨于緩慢。這一現(xiàn)象與圖6所示的主唇口輪廓變化規(guī)律一致旋轉(zhuǎn)密封件磨損仿真(1)基于密封及磨損機(jī)制，采用有限元的方法，運(yùn)用Abaqus/UMESHMOTION用戶子程序?qū)πD(zhuǎn)密封件進(jìn)行磨損模擬，實(shí)現(xiàn)了密封件的動(dòng)態(tài)磨損過程和控制局部區(qū)域的網(wǎng)格自適應(yīng)劃分，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)旋轉(zhuǎn)密封件磨損深度及磨損后接觸壓力的計(jì)算。該方法在減少重構(gòu)模型工作量的同時(shí)，一定程度上提高了計(jì)算精度。(2)通過使用磨損因子模型并在磨損模擬過程中對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，進(jìn)而控制磨損速度，可獲取更接近實(shí)際工況的