發動機潤滑油泵橡膠密封圈溫升性能仿真分析

龍婷， 余明果， 劉冠麟， 蔡皓

（1. 湖南機油泵股份有限公司，湖南 衡東 421400；2. 湖南工業職業技術學院，湖南 長沙 410007）

0 前言

潤滑油泵（機油泵）是發動機潤滑系統中重要的零部件，在整個發動機潤滑系統的開發中具有決定性作用。其在發動機運轉過程中源源不斷地為各個零部件提供機油，以保證發動機在各工況下能正常運行。為了保證潤滑系統的正常工作，在設計開發過程中，正確選用油泵的機械密封，是保證其長期、可靠運轉的必要條件。密封主要是2個功能不同的空間隔開，以避免2個空間之間的固體、液體或氣體介質相互交換，或至少限制交換量在許用泄漏量之內。橡膠密封屬于機械密封形式的一種，也是使用最廣泛的靜密封。張曉東等［1］研究了壓縮率和工作介質壓力對密封圈性能的影響；康家明等［2］研究了溝槽形狀對O形橡膠密封圈密封性能的影響；鄧向彬等［3］研究了橡膠O形圈最大接觸壓力、國際橡膠硬度（IRHD）和壓縮率之間的函數關系；王琦等［4］研究了結構參數對Y形密封圈密封性能的影響；雷剛等［5］研究了橡膠密封圈在3孔和4孔螺栓裝配結構下的密封性能；紀軍等［6］對氣缸O形圈動密封及溫度場進行了有限元分析。本文分析橡膠密封圈在螺栓裝配過程中及不同溫度下的密封性能，基于Ansys三維橡膠大變形仿真模型，研究不同溫度下橡膠密封圈的接觸壓力、填充率及壓縮率的變化規律。

1 密封圈模型

以某發動機潤滑油泵為研究對象，對泵蓋矩形密封圈密封性能進行分析。泵體溝槽寬度為2.8 mm，高度為1.3 mm，矩形密封圈寬度和高度均為1.68 mm，其三維模型如圖1所示。泵體與泵蓋材料為灰鑄鐵HT250，螺栓材料采用35鋼（8.8級），矩形密封圈材料為氟橡膠（FKM），具體材料屬性見表1。分析模型工況主要為：高壓泵M6螺栓擰緊力矩為9 N·m，低壓泵M6螺栓擰緊力矩為10 N·m，溫度載荷為-40～120 ℃線性升溫，潤滑油泵內部最大液壓為1.98 MPa。

表1 泵體、泵蓋及螺栓材料參數

圖1 潤滑油泵密封三維模型

1.1 橡膠密封圈本構模型

潤滑油泵橡膠密封圈截面為矩形，密封依賴于螺栓擰緊后作用在矩形密封圈外表面的接觸壓力。成功的密封設計能夠確保足夠的密封壓縮應力，同時最大限度地減少由于壓縮而作用在密封圈上的應力破壞。由于橡膠密封圈材料FKM為超彈性非線性材料，因此分析采用Mooney-Rinlin 2 Parameter本構模型［7］。該模型在較小的應力作用下能產生較大變形，拉應變為100%，壓應變為30%，模型表達式為：

式中：W為應變能密度；C10、C01為Rivlin系數；I1、I2分別為第1、第2格林應變不變量。

參考橡膠的IRHD指標經驗公式，可計算出材料各參數，具體表達式為：

式中：E0為彈性模量；G為切變模量；Hr為IRHD；μ為泊松比，取0.5（橡膠的不可壓縮性）。

在不同環境溫度下，橡膠密封圈材料會表現出不同的物理屬性，從而需在Mooney-Rinlin 2 Parameter本構模型中獲取不同的Rivlin系數。結合硬度指標經驗公式，對不同溫度下的硬度和彈性模量進行計算，得到橡膠材料參數見表2［8］。

表2 橡膠密封圈材料參數

1.2 仿真邊界條件

橡膠超彈性密封分析以實際運行工況作為邊界條件加載，因密封圈外徑比泵體槽內孔直徑略大，第一步通過泵體槽孔壁對密封圈的擠壓形成徑向過盈裝配；第二步通過螺栓擰緊力矩對矩形橡膠密封圈進行軸向壓縮0.38 mm；第三步從冷啟動-40 ℃升溫至運行穩定后的120 ℃，環境溫度為20 ℃。

橡膠超彈性非線性類分析屬于大變形分析，對網格質量要求很嚴格，以防止在壓縮過程中網格發生畸變，因此仿真采用線性六面體全積分單元，密封圈網格尺寸細化到0.12 mm，以保證獲取精確的接觸壓力，局部網格劃分圖如圖2所示。密封圈與泵體槽和泵蓋采用摩擦接觸，因橡膠密封圈比泵體、泵蓋材料軟，設置密封圈為接觸面，泵體、泵蓋為目標面，摩擦因數為0.3，接觸設置為非對稱，方便后處理提取密封圈接觸壓力等數據。計算公式采用增廣拉格朗日乘子算法，接觸面探測方法用高斯積分點探測，有利于減少密封圈接觸面的滲透。

圖2 矩形密封圈網格局部圖

2 計算結果與分析

2.1 溫度對密封圈接觸壓力的影響

潤滑油泵密封圈的密封性是否合理，主要通過密封圈在螺栓預緊后以及不同運行工況下的接觸壓力是否大于油泵內部最大油壓來判斷，當密封圈接觸壓力大于油泵內部最大油壓，說明油液無法沖破密封圈接觸區域引起泄漏。20 ℃、-40 ℃及120 ℃溫度下的密封圈接觸壓力如圖3所示。

圖3 不同溫度下密封圈螺栓預緊接觸壓力云圖

從圖3可以看出，橡膠密封圈在常溫下螺栓擰緊壓縮0.38 mm，最大接觸壓力為10.53 MPa，因高低壓泵區域的螺栓力矩不同，使密封圈四周呈現壓力分布不均勻的現象。密封圈與泵體泵蓋的熱膨脹系數也不同，在-40 ℃低溫條件下，各零部件往中間冷縮增大了接觸區域的擠壓，從而使接觸壓力增大；隨著溫度升高，各零部件受熱膨脹程度不一致，使接觸壓力減少，但每個工況下的最大接觸壓力均大于油液內壓1.98 MPa，密封性較好。

2.2 溫度對密封圈填充率的影響

矩形密封圈在溝槽中的填充率對于確保潤滑油泵的初始密封能力十分重要，填充率過小會使密封性能變差，過大會使安裝困難，摩擦阻力加大，且浮動性差。通過矩形密封圈體積與泵體溝槽體積之比，計算不同工況下的密封圈填充率是否滿足設計要求。密封圈在不同溫度下的體積變化如圖4所示。

圖4 不同溫度下密封圈體積變化

從圖4可以看出：在-40 ℃低溫條件下，密封圈冷縮使體積減少，而隨著溫度緩慢上升至120 ℃，密封圈受熱膨脹，體積逐漸增大。潤滑油泵體溝槽體積為602.68 mm3，溝槽填充率的計算，需對泵體抽取溝槽空間域獲取其體積，不同溫度下的密封圈填充率計算結果見表3。

表3 不同溫度下密封圈填充率

從表3可知，在低溫-40 ℃工況下，密封圈填充率比常溫時有所減少，隨著溫度升高，填充率逐漸增大，且不同溫度下的密封圈填充率均小于85%，滿足填充率設計要求。

2.3 溫度對密封圈壓縮率的影響

密封圈壓縮率對密封性能和使用壽命有著重要的影響。一般來說，密封圈和溝槽有一定的加工誤差，合適的壓縮率加上密封圈與溝槽尺寸的正確匹配，可以補償其加工和制造誤差，并保證在正常工作狀態下有足夠的密封性。選擇密封圈的壓縮率時需綜合考慮，過大的壓縮率會造成應力松弛，產生過大的永久變形，且在高溫狀態中尤為嚴重，因此采用仿真方法研究密封圈在不同溫度下的壓縮率是否滿足設計要求有著重要意義。不同溫度下橡膠密封圈的壓縮率見表4。

表4 不同溫度下密封圈壓縮率

從表4 可以看出，與常溫狀態下相比，低溫-40 ℃下的密封圈軸向壓縮量增大，使其壓縮率上升；隨著溫度逐漸上升，密封圈軸向壓縮量隨之降低，即壓縮率下降，但不同溫度下的密封圈壓縮率均在13%～36%設計允許范圍內，滿足設計要求。

3 結論

（1）FKM橡膠密封圈在20 ℃常溫環境下被螺栓擰緊軸向密封產生的最大接觸壓力為10.53 MPa；-40 ℃低溫工況下，最大接觸壓力為10.57 MPa；120 ℃高溫工況下，最大接觸壓力為5.13 MPa。

（2）密封圈與泵體泵蓋的熱膨脹系數不同，在-40 ℃低溫條件下，各零部件往中間冷縮增大了接觸區域的擠壓，使接觸壓力增大；隨著溫度升高，各零部件受熱膨脹不一致，使接觸壓力減少，但每個工況下的最大接觸壓力均大于油液內壓（1.98 MPa），密封性較好。

（3）與常溫環境下相比，在-40 ℃低溫工況下密封圈填充率有所減少，隨著溫度升高，填充率逐漸增大，且不同溫度下的密封圈填充率均小于85%，即密封圈尺寸滿足填充率設計要求。

（4）與常溫環境下相比，-40 ℃低溫工況下密封圈軸向壓縮量增大，使其壓縮率上升；隨著溫度逐漸上升，密封圈軸向壓縮量隨之降低，使壓縮率下降。但不同溫度下的密封圈壓縮率均在13%～36%設計允許范圍內，即密封圈尺寸滿足壓縮率設計要求。