旋轉(zhuǎn)式骨架油封關(guān)鍵參數(shù)對(duì)主唇配合區(qū)的影響分析

楊化林，張啟鑫，宋正樸

（青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061）

油封是機(jī)械設(shè)備中密封旋轉(zhuǎn)軸最常用的零部件之一。作為性能優(yōu)異的密封件，油封廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、機(jī)床等裝備中[1]。骨架油封的生產(chǎn)制造通常需要橡膠和鋼材兩種材料[2]，所用橡膠應(yīng)具有良好的耐油性[3]。骨架油封種類(lèi)繁多，最常見(jiàn)的類(lèi)型由橡膠基體、金屬骨架和自緊螺旋彈簧三部分構(gòu)成。油封的密封過(guò)程是利用密封唇與軸的過(guò)盈配合，通過(guò)柔性唇的作用阻擋密封流體向外界泄漏，并防止密封介質(zhì)被外界雜質(zhì)污染[4-5]。關(guān)于油封的密封機(jī)理，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)展了大量理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，陸續(xù)有張力理論、動(dòng)壓潤(rùn)滑理論、泵送理論等重要理論成果發(fā)表。泵送理論逐漸成為行業(yè)普遍認(rèn)同的密封機(jī)理[6-7]。油封的靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析是研究泵送理論等密封機(jī)理的基礎(chǔ)，同時(shí)也為油封的產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供借鑒。目前對(duì)油封結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的影響規(guī)律研究還不夠全面，油封結(jié)構(gòu)的靜態(tài)有限元分析是十分重要的議題。

本工作針對(duì)35 50 8規(guī)格油封，在無(wú)工作介質(zhì)情況下，對(duì)油封與軸和腔體裝配進(jìn)行靜態(tài)模擬，研究過(guò)盈量（δ）、彈簧中心與唇尖軸向距離（R）、彈簧剛度系數(shù)（K）和油面角（α）等重要參數(shù)對(duì)最大von Mises應(yīng)力、最大接觸壓力、接觸寬度和接觸壓力分布的影響，以期為其他油封結(jié)構(gòu)研究和性能分析提供一定的借鑒作用。

1 油封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

油封結(jié)構(gòu)如圖1所示。在自由狀態(tài)下，油封的內(nèi)徑稍小于軸徑，即油封與軸形成過(guò)盈配合。過(guò)盈配合形成一定的接觸區(qū)域，將空氣側(cè)與流體側(cè)隔開(kāi)，起到密封作用。起密封作用的接觸區(qū)域與δ直接相關(guān)，同時(shí)還受R，α和K的影響。油封長(zhǎng)期暴露于高溫油和摩擦熱當(dāng)中，自緊螺旋彈簧密封唇的彈性會(huì)有所降低，彈簧可以提供附加力補(bǔ)償徑向負(fù)載的缺失，同時(shí)保持密封唇應(yīng)力分布均勻。

圖1 油封結(jié)構(gòu)示意

2 有限元模型的建立

基于油封存在三重非線性做以下假設(shè)：（1）橡膠材料不可壓縮，并具有確定的彈性模量和泊松比；（2）軸和腔體的剛度遠(yuǎn)大于油封，設(shè)為剛體。

將未變形狀態(tài)下的橡膠假設(shè)為各向同性材料，并用單位體積應(yīng)變能函數(shù)來(lái)描述橡膠特性。Mooney-Rivlin模型應(yīng)變能密度函數(shù)可以很好地模擬橡膠小至中等應(yīng)變時(shí)的材料變形特性。本研究油封采用丁腈橡膠，其本構(gòu)關(guān)系選用五參數(shù)Mooney-Rivlin模型表征。材料常數(shù)[8-9]為：C10＝1.26 MPa，C01＝－0.78 MPa，C20＝－1.68 MPa，C11＝－2.94 MPa，C02＝－0.74 MPa。

如圖1所示，油封的幾何結(jié)構(gòu)及邊界條件都具有軸對(duì)稱(chēng)特性，可簡(jiǎn)化為二維有限元模型。為便于建模分析，彈簧簡(jiǎn)化為圓圈，并去掉遠(yuǎn)離唇口且對(duì)性能無(wú)影響的部分工藝尺寸。分析中采用軸的徑向位移模擬過(guò)盈量。

3 結(jié)果與討論

每個(gè)參數(shù)在常用范圍內(nèi)變化取值，其他參數(shù)值設(shè)置為常數(shù)，分別為：δ＝0.6 mm，R＝0.3 mm，K＝0.7 N mm-1，α＝45°。

3.1 過(guò)盈量

存在一定過(guò)盈量的柔性密封唇能夠?qū)ρb配后軸產(chǎn)生的微偏心量進(jìn)行補(bǔ)償，并降低跳動(dòng)量大的軸對(duì)密封性能的不利影響。δ太小，唇口接觸區(qū)徑向壓力過(guò)小，導(dǎo)致油封早期泄漏；δ太大，接觸區(qū)徑向壓力過(guò)大，導(dǎo)致油膜中斷，造成油封與軸干摩擦。因此，δ是油封結(jié)構(gòu)中極其重要的參數(shù)。

δ在常用范圍（0～1 mm）內(nèi)取值，間隔0.1 mm，其對(duì)油封橡膠體最大von Mises應(yīng)力和最大接觸壓力的影響如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著δ的增大，最大von Mises應(yīng)力逐漸增大，但增幅隨之減小，達(dá)到峰值后逐漸遞減。而隨著δ的增大，過(guò)盈配合得到加強(qiáng)，使徑向接觸壓力快速增大，之后增幅減小，達(dá)到峰值后表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。整體而言，最大接觸壓力均大于最大von Mises應(yīng)力，表明該旋轉(zhuǎn)式骨架油封具有較好的密封性能。

圖2 唇口處最大應(yīng)力隨δ的變化曲線

接觸寬度隨δ的變化曲線如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著δ的增大，總體接觸寬度增大，較大的δ使軸與唇口接觸面增大，導(dǎo)致接觸壓力分散減小。油側(cè)接觸寬度幾乎不受δ的影響，而空氣側(cè)接觸寬度與總接觸寬度變化規(guī)律相同。

圖3 接觸寬度隨δ的變化曲線

綜上所述，隨著δ在選定范圍內(nèi)增大，油封橡膠體的最大von Mises應(yīng)力和最大接觸壓力的變化規(guī)律相似，先增大后減小。接觸寬度隨著δ的增大而遞增，且增幅越來(lái)越大。油側(cè)接觸寬度幾乎不變，空氣側(cè)接觸寬度與總接觸寬度變化規(guī)律相同。

3.2 彈簧中心與唇尖軸向距離

若R過(guò)大，則接觸壓力分散減小，導(dǎo)致油膜擴(kuò)大，造成完全流體潤(rùn)滑而泄漏。若R過(guò)小，則不利于保持油膜的穩(wěn)定存在。可見(jiàn)R對(duì)油封的密封性能有重要的影響。

R在常用范圍（0～0.5 mm）內(nèi)取值，間隔0.1 mm，其對(duì)骨架油封唇口處最大應(yīng)力的影響如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著R的增大，油封橡膠體最大von Mises應(yīng)力總體呈減小趨勢(shì)，但降幅不大，變化幅度在4%以?xún)?nèi)。最大接觸壓力逐漸減小，但其變化幅度也很小。

圖4 唇口處最大應(yīng)力隨R的變化曲線

接觸寬度隨R的變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，當(dāng)R遞增時(shí)，接觸寬度卻遞減。油側(cè)接觸寬度占比很小且?guī)缀醪蛔儯諝鈧?cè)接觸寬度與總接觸寬度變化趨勢(shì)相同。

圖5 接觸寬度隨R的變化曲線

綜上所述，隨著R在選定范圍內(nèi)增大，油封唇口處最大von Mises應(yīng)力和最大接觸壓力只有非常微小的變動(dòng)，說(shuō)明兩者與R變化幾乎不相關(guān)。接觸寬度表現(xiàn)為遞減，其中油側(cè)接觸寬度幾乎不變，空氣側(cè)接觸寬度與總接觸寬度變化規(guī)律相同。

3.3 彈簧剛度系數(shù)

工作中的油封密封唇部因摩擦生熱而使橡膠材料軟化，進(jìn)而導(dǎo)致熱變形增大，磨損加劇，造成應(yīng)力松弛。因此，只靠主唇部位的過(guò)盈和彈性屈撓變形不能完全保證唇口的徑向力滿(mǎn)足運(yùn)轉(zhuǎn)要求，需要設(shè)置彈簧保持唇口擁有足夠的徑向力，穩(wěn)定潤(rùn)滑油膜，同時(shí)對(duì)軸的偏心起一定的補(bǔ)償作用。彈簧直接對(duì)唇口密封接觸區(qū)域施加作用，其工作負(fù)荷對(duì)油封的密封性能有很大的影響。

K在常用范圍（0.2～1.1 N mm-1）內(nèi)取值，間隔0.1 N mm-1，其對(duì)油封橡膠體最大von Mises應(yīng)力和最大接觸壓力的影響如圖6所示。

圖6 唇口處最大應(yīng)力隨K的變化曲線

從圖6可以看出，兩者在K增大的過(guò)程中都表現(xiàn)為遞增趨勢(shì)，而且在K值較小時(shí)增長(zhǎng)幅度較大。

接觸寬度隨K的變化曲線如圖7所示。

圖7 接觸寬度隨K的變化曲線

從圖7可以看出，接觸寬度與K呈正相關(guān)。油側(cè)接觸寬度幾乎不變，而空氣側(cè)接觸寬度與總接觸寬度變化規(guī)律相同，表現(xiàn)為增大趨勢(shì)。

綜上所述，隨著K在所選范圍內(nèi)增大，油封橡膠體的最大von Mises應(yīng)力、最大接觸壓力和接觸寬度都增大，前兩者增幅逐漸變小。油側(cè)接觸寬度幾乎不受K值影響，空氣側(cè)接觸寬度與總接觸寬度變化規(guī)律相同。

3.4 油面角

油面角α即前唇角，是唇口內(nèi)壁相對(duì)軸向的傾角。α過(guò)大，唇口過(guò)于尖銳，不易保持油膜；α過(guò)小，唇口過(guò)鈍，易形成完全流體潤(rùn)滑而泄漏。α在油封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也是特別重要的參數(shù)。

α在常用范圍（41°～50°）內(nèi)取值，間隔1°，其對(duì)油封橡膠體最大von Mises應(yīng)力和最大接觸壓力的影響如圖8所示。

圖8 唇口處最大應(yīng)力隨α的變化曲線

從圖8可以看出，隨著α的增大，最大von Mises應(yīng)力總體表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，但是最大接觸壓力的變化趨勢(shì)有所不同，中前期小幅緩慢增長(zhǎng)，后期則呈小幅下降趨勢(shì)。

接觸寬度隨α的變化曲線如圖9所示。

圖9 接觸寬度隨α的變化曲線

從圖9可以看出，增大α，總接觸寬度在前期受影響很小，產(chǎn)生微幅減小，但是在后期變化過(guò)程中呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，而且增幅加大。同時(shí)，油側(cè)接觸寬度仍然只有非常微小的變動(dòng)，說(shuō)明其幾乎不受α的影響，而空氣側(cè)接觸寬度總體變化規(guī)律與總接觸寬度相一致。

綜上所述，隨著α在選定范圍內(nèi)增大，油封橡膠體的最大von Mises應(yīng)力增大，而最大接觸壓力在前期表現(xiàn)為小幅增大，后期則呈現(xiàn)小幅下降趨勢(shì)。接觸寬度在前期變化極小，只有微量減小，后期有遞增趨勢(shì)，且增幅變大。

4 結(jié)論

理想的密封狀態(tài)是用盡量小的徑向力得到盡可能尖銳的峰形壓力分布，且峰形越尖銳，性能越好。因此，最大接觸壓力和接觸寬度的優(yōu)化對(duì)密封效果的提高具有重要意義。

（1）最大von Mises應(yīng)力和最大接觸壓變化規(guī)律相似，R和α對(duì)其影響不大。調(diào)整δ和K值對(duì)優(yōu)化最大接觸壓力更有效。

（2）由于最大接觸壓力幾乎不受R的影響，而與接觸寬度有一定的相關(guān)性，因此，若在維持最大接觸壓力穩(wěn)定的前提下優(yōu)化接觸寬度，調(diào)整R值是一種有效途徑。

（3）δ和K對(duì)接觸寬度影響最大，R值次之。若要大幅調(diào)整接觸寬度，則重新設(shè)計(jì)δ和選用新彈簧效果更明顯。油側(cè)接觸寬度幾乎不受各參數(shù)變化的影響。

本工作可為研究油封其他相關(guān)密封性能、優(yōu)化唇部結(jié)構(gòu)尺寸提供參考。