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、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]。骨架油封種類繁多，最常見的類型由橡膠基體、金屬骨架和自緊螺旋彈簧三部分構(gòu)成。油封的密封過程是利用密封唇與軸的過盈配合，通過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，國內(nèi)外研究人員開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，即油封與軸形成過盈配合。過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，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)性能無影響的部分工藝尺寸。分析中采用軸的徑向位移模擬過盈量。

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 過盈量

存在一定過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)徑向壓力過小，導(dǎo)致油封早期泄漏；δ太大，接觸區(qū)徑向壓力過大，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，造成完全流體潤滑而泄漏。若R過小，則不利于保持油膜的穩(wěn)定存在?？梢奟對(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%以內(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?，而空氣?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，只靠主唇部位的過盈和彈性屈撓變形不能完全保證唇口的徑向力滿足運(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增大的過程中都表現(xiàn)為遞增趨勢(shì)，而且在K值較小時(shí)增長幅度較大。

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過大，唇口過于尖銳，不易保持油膜；α過小，唇口過鈍，易形成完全流體潤滑而泄漏。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，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，但是在后期變化過程中呈現(xiàn)增長趨勢(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。