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        往復(fù)式骨架油封溫度場的動態(tài)分析*

        2019-12-26 07:01:14
        潤滑與密封 2019年12期

        (青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院 山東青島 266061)

        往復(fù)式骨架油封用于往復(fù)運動件封油,如汽車減震器油封,在使用過程中會承受很大的壓力(0.8~1.3 MPa,瞬時壓力可達(dá)到2 MPa),是一種使用很廣泛的密封件。往復(fù)式骨架油封的工作過程分為內(nèi)行程和外行程,在外行程中,潤滑油被活塞桿從密封腔體拖出并附著在活塞桿上;在內(nèi)行程中,附著在活塞桿上的潤滑油被拖回密封腔體。在一次往復(fù)行程內(nèi),內(nèi)行程的流通量必須大于或等于外行程的流通量,以便將潤滑油泵送回密封腔體從而實現(xiàn)零泄漏[1-2]。

        目前研究者主要采用有限元模擬的方法研究往復(fù)式骨架油封的性能,研究泵汲率和生熱量隨過盈量和往復(fù)速度的變化規(guī)律[3],以及針對油封的損壞與泄漏問題,分析過盈量、往復(fù)速度、摩擦因數(shù)和流體壓力對油封唇口處等效應(yīng)力與接觸壓力的影響規(guī)律[4]。張佳佳等[5]利用FLUENT軟件分析了軸速、前后唇角、接觸寬度以及抱軸力等參數(shù)對油封摩擦面上溫度最大值的影響。

        油封失效的主要原因是由唇口溫度過高引起的橡膠老化[6],而以上文獻(xiàn)主要集中研究了油封的結(jié)構(gòu)參數(shù)和外界工況對油封性能的影響,但都沒有給出合理的取值范圍。因此,本文作者采用ABAQUS軟件模擬往復(fù)式骨架油封唇口處的溫度場,分析過盈量、流體壓力、往復(fù)速度和摩擦因數(shù)對油封唇口處溫度的作用規(guī)律,再依據(jù)所選橡膠材料的適用溫度范圍,得出過盈量、流體壓力、往復(fù)速度和摩擦因數(shù)的合理取值區(qū)間,從而提高往復(fù)式骨架油封的密封性能。

        1 往復(fù)式骨架油封的有限元模型

        1.1 往復(fù)式骨架油封的幾何模型

        文中所選往復(fù)式骨架油封結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,為避免因素過多影響分析結(jié)果,在幾何建模時進(jìn)行了簡化,由于往復(fù)式骨架油封的結(jié)構(gòu)和受力具有軸對稱性,因此往復(fù)式骨架油封可以簡化成如圖1所示的二維軸對稱模型。

        文中分析的往復(fù)式骨架油封由金屬骨架、彈簧圈(包括主簧和副簧)以及橡膠體3部分構(gòu)成。

        圖1 往復(fù)式骨架油封的結(jié)構(gòu)Fig 1 Schematic of reciprocating skeleton oil seal

        金屬骨架主要起加強作用,它能使油封唇口保持形狀及張力不變;彈簧圈的主要作用是提供適當(dāng)?shù)膹较虮Ьo力,以利于密封介質(zhì)的密封和防塵,而文中僅考慮主簧作用[7];密封唇是彈性橡膠體,主要作用是保持唇部與軸表面穩(wěn)定接觸。根據(jù)密封效果,密封唇可分為主唇、二道唇、防塵唇和封氣唇。其中密封作用依靠主唇來實現(xiàn),也是文中分析對象,其他唇起輔助作用。

        1.2 往復(fù)式骨架油封主唇處力學(xué)模型

        往復(fù)式骨架油封主唇處受力示意圖如圖2所示。其中F1為主簧對主唇處的徑向力;p為密封流體對主唇處的壓力;F2為安裝過盈量對主唇處的預(yù)緊力。在此基礎(chǔ)上,建立往復(fù)式骨架油封的有限元模型,進(jìn)而研究往復(fù)式骨架油封主唇處的溫度場分布。

        圖2 主唇處受力示意圖Fig 2 Force diagram of main lip

        1.3 往復(fù)式骨架有限元模型

        1.3.1 材料模型

        為了方便有限元模型求解,作出以下兩點假設(shè):

        (1)密封唇必須具有確定的彈性模量和泊松比;

        (2)將活塞桿、主簧、副簧和骨架設(shè)為剛體[8];

        (3)密封唇表面光滑。

        由于橡膠材料屬于不可壓縮的超彈性材料,而且本身具有非線性,因此,唇口在與活塞桿的過盈配合中會產(chǎn)生較大變形。文中采用Mooney-Rivlin模型描述橡膠材料的應(yīng)變能函數(shù)[9],其應(yīng)變能密度函數(shù)為

        W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

        (1)

        式中:W為應(yīng)變能密度函數(shù);C10和C01為Mooney-Rivlin材料系數(shù),均為正定常數(shù);I1和I2為Green應(yīng)變張量的2個主不變量[10]。

        文中設(shè)置往復(fù)式骨架油封的骨架、彈簧圈(包括主簧和副簧)以及活塞桿為剛體,其參數(shù)為:彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,密度為7.8×10-6kg/mm3,熱導(dǎo)率為45.4 W/(m·K),比熱容為460 J/(kg·K)。唇口橡膠材料為丁腈橡膠,參數(shù)為:硬度70~90,適用溫度-60~180 ℃,密度1.2×10-6kg/mm3,熱導(dǎo)率0.25 W/(m·K),比熱容1 700 J/(kg·K)。材料系數(shù)C10和C01可由單軸拉伸試驗或根據(jù)材料硬度計算得到[11]。已知丁腈橡膠材料硬度HA,將其代入E=(15.75+2.15HA)/(100-HA)和C10=E/6中,可得C10的值,再將C10代入C01=0.25C10中得C01的值[12]。文中取C10=1.87 MPa,C01=0.47 MPa[13]。

        1.3.2 唇口處有限元模型

        在ABAQUS軟件中進(jìn)行往復(fù)式骨架油封的有限元分析時,建立如圖3所示的二維軸對稱模型。

        圖3 唇口處有限元模型Fig 3 The finite element model of the lip (a)instroke; (b)outstroke

        1.3.3 約束與載荷的加載

        由于活塞桿的外徑略大于密封唇的內(nèi)徑,因此,兩者之間產(chǎn)生了過盈配合。文中采用如圖3所示的方式模擬兩者之間的過盈量,圖3(a)模擬內(nèi)行程,圖3(b)模擬外行程。約束往復(fù)式骨架油封外沿的所有自由度,模擬將其固定在缸筒內(nèi)所受約束;在主簧處施加等效集中力模擬往復(fù)式骨架油封主唇處所受預(yù)緊力F=10 N[14];用速度約束來模擬活塞桿的往復(fù)運動;其中,唇口處的最大溫度受往復(fù)速度和運行時間的影響,故文中限制活塞桿的行程,使運行時間和往復(fù)速度這兩種因素的取值成對出現(xiàn),即兩者的乘積總是相同的;對往復(fù)式骨架油封唇口處施加載荷模擬油壓對主唇處的作用力;對活塞桿與唇口的接觸處設(shè)置不同的摩擦因數(shù)來模擬不同的摩擦狀態(tài)。此外,還需對整體模型加載初始溫度場模擬室溫,其值為20 ℃;將橡膠主體的邊界設(shè)置成絕熱邊界。

        2 仿真結(jié)果及分析

        2.1 過盈量

        往復(fù)式骨架油封安裝時需要過盈配合,這主要是為了使油封與活塞桿之間形成一個初始的預(yù)緊力。為了研究過盈量對油封主唇處最大溫度的影響,取過盈量為0.1~0.4 mm。

        在過盈量為0.3 mm,往復(fù)速度為0.6 m/s,其他因素值一致的條件下,內(nèi)外行程中往復(fù)式骨架油封唇口處的溫度云圖如圖4所示。

        從圖4中可以看出,在內(nèi)行程中,唇口處的溫度分布較為分散,最大溫度值也相對較低;而在外行程中,唇口處的溫度分布比較集中,最大溫度值也較大。這說明,在外行程中油封唇口更容易出現(xiàn)灼傷和老化現(xiàn)象,造成油封損壞,甚至使油封唇口產(chǎn)生泄漏。

        圖4 主唇處的溫度云圖Fig 4 The temperature nephogram of main lip (a)instroke; (b)outstroke

        圖5顯示了在往復(fù)速度為0.6 m/s時,內(nèi)外行程中唇口最大溫度與過盈量的關(guān)系??梢姡趦?nèi)外行程中,隨著過盈量的增大,唇口處的溫度升高;并且,相較于內(nèi)行程,外行程中唇口處的溫度隨過盈量的增加變化幅度更加明顯,溫度值也更高,這也說明往復(fù)式骨架油封唇口在外行程中更易受到損傷。

        圖5 最大溫度隨過盈量的變化Fig 5 The maximum temperature under different interference (a)instroke;(b)outstroke

        同時,根據(jù)文中選用的丁腈橡膠材料適用溫度范圍,進(jìn)而可以得出在往復(fù)速度為0.6 m/s的條件下,不同摩擦因數(shù)f時過盈量的合理取值范圍。由圖5可知,在內(nèi)行程中,當(dāng)摩擦因數(shù)小于等于0.05時,與所選取的不同過盈量相對應(yīng)的溫度值均滿足往復(fù)式骨架油封的適用溫度范圍;當(dāng)摩擦因數(shù)大于0.05時,要想減少油封唇口因溫度過高造成損壞的概率,過盈量的取值應(yīng)盡量小一些;而當(dāng)摩擦因數(shù)為0.2時,與所選取的不同過盈量相對應(yīng)的溫度值均大于往復(fù)式骨架油封的適用溫度范圍。在外行程中,由于隨著過盈量的增加,唇口處的最大溫度具有更高的值,因此當(dāng)摩擦因數(shù)大于等于0.15時,無論過盈量如何取值,唇口處的溫度值均超過所選橡膠材料的許用溫度范圍。綜合考慮,為了保證往復(fù)式骨架油封具有良好的密封性能,過盈量的適宜取值為0.1~0.15 mm。

        2.2 流體壓力

        文中流體壓力的取值為0.8~1.3 MPa。

        圖6給出了在過盈量為0.2 mm,往復(fù)速度為0.5 m/s,摩擦因數(shù)為 0.1、0.15的條件下,內(nèi)外行程中唇口處的最大溫度隨流體壓力的變化??梢钥吹?,隨著流體壓力的增加,內(nèi)外行程中唇口處的最大溫度增加;但在外行程中,唇口處的最大溫度隨流體壓力的增加變化幅度更大,最大溫度值也更高,這說明流體壓力越大,越容易使外行程中的往復(fù)式骨架油封唇口受到損傷,進(jìn)而造成唇口泄漏,影響油封使用壽命。

        圖6 最大溫度隨流體壓力的變化Fig 6 The maximum temperature under different sealing pressure (a)instroke;(b)outstroke

        依據(jù)所選橡膠材料的適用溫度范圍,可得出在過盈量為0.1 mm,往復(fù)速度為0.5 m/s條件下,在內(nèi)行程中,流體壓力不論如何取值,唇口處的最大溫度均滿足所選橡膠材料的許用溫度范圍;而在外行程中,由于唇口處的最大溫度值較高,為避免高溫灼傷油封唇口,應(yīng)選用較小的流體壓力。綜合內(nèi)外行程可得,最適流體壓力為0.9~1.1 MPa。

        2.3 往復(fù)速度

        往復(fù)速度的大小影響唇口的生熱量,進(jìn)而影響油封唇口的溫度,因此,往復(fù)速度對往復(fù)式骨架油封的密封性能有重要影響,文中往復(fù)速度的取值為0.3~1 m/s。

        圖7示出了在過盈量為0.2 mm,流體壓力為1 MPa,不同摩擦因數(shù)f條件下,內(nèi)外行程中唇口處的最大溫度隨往復(fù)速度的變化??梢钥闯?,隨著往復(fù)速度的增加,內(nèi)外行程中唇口處的最大溫度均增加,這表明增加往復(fù)速度,會增加唇口處的溫度,進(jìn)而損傷油封唇口并影響往復(fù)式骨架油封的密封性能。

        從圖7中可以知道,內(nèi)外行程中唇口處的最大溫度近似呈正態(tài)分布,唇口處的最大溫度主要集中分布在速度為0.6 m/s或0.7 m/s的附近。因為在分析的過程中考慮到時間因素的影響,所以活塞桿運動時間越長,生熱量越多,唇口溫度越高;活塞桿運動時間越短,生熱量越少,唇口溫度越低。在分析的過程中由于限制了活塞桿的行程,因此,活塞桿的往復(fù)速度越大,運行時間就越短;活塞桿的往復(fù)速度越小,運行時間就越長。在一次往復(fù)行程內(nèi),必然會出現(xiàn)一個中間值,這個時候往復(fù)速度不是最小,運行時間也不是最長,但兩者共同作用,就會使這一條件下往復(fù)式骨架油封唇口處的溫度出現(xiàn)驟升。正如圖7中所示,這表明文中分析的結(jié)果趨于實際化。

        圖7 最大溫度隨往復(fù)速度的變化Fig 7 The maximum temperature under different the velocity (a)instroke;(b)outstroke

        同時,觀察圖7還可以看出,在外行程中,隨著往復(fù)速度的增大,會使往復(fù)式骨架油封唇口處的溫度具有更大的增幅和更高的溫度,這表明,相較于內(nèi)行程而言,在外行程中,往復(fù)速度過快更容易造成唇口損傷,進(jìn)而影響油封的使用壽命和密封性能,所以在使用過程中應(yīng)限制往復(fù)式骨架油封在外行程時的往復(fù)速度,盡量采用較小的往復(fù)速度,從而避免損壞油封唇口。

        2.4 摩擦因數(shù)

        為研究摩擦因數(shù)對唇口處溫度的影響,文中選取6種摩擦因數(shù)為0.001、0.05、0.1、0.15、0.2和0.25,得到了往復(fù)式骨架油封唇口處的溫度隨摩擦因數(shù)的變化曲線,如圖8所示。

        圖8中往復(fù)速度為0.4 m/s,流體壓力為1 MPa的條件下,過盈量為0.2~0.4 mm??梢姡S著摩擦因數(shù)的增加,內(nèi)外行程中唇口處的最大溫度值均上升。與內(nèi)行程相比,在外行程中,往復(fù)式骨架油封唇口處的最大溫度具有更大的增幅,溫度值也更高,這表明摩擦因數(shù)越大,往復(fù)式骨架油封唇口處的最大溫度越高,進(jìn)而影響往復(fù)式骨架油封的使用壽命。

        圖8 最大溫度隨摩擦因數(shù)的變化Fig 8 The maximum temperature under different friction coefficient (a)instroke;(b)outstroke

        參照文中所選丁腈橡膠材料的適用溫度范圍,可以得出,在內(nèi)行程中,與所選取的不同摩擦因數(shù)相對應(yīng)的唇口處的溫度值均滿足所選橡膠材料的適用溫度范圍,而在外行程中,當(dāng)過盈量為0.4 mm時,摩擦因數(shù)的取值應(yīng)小于0.15,以確保唇口處的最大溫度值不超過橡膠材料的適用溫度范圍。綜合來看,在這種參數(shù)設(shè)置下,最佳的摩擦因數(shù)取值應(yīng)為0.05~0.1。

        3 結(jié)論

        (1)過盈量、流體壓力、往復(fù)速度和摩擦因數(shù)這4種因素的增大,會使往復(fù)式骨架油封唇口的最大溫度值增加,均會影響往復(fù)式骨架油封的密封性能。同時,相對于內(nèi)行程,這4種因素對外行程中往復(fù)式骨架油封唇口處的最大溫度影響更大,使其具有更大的增幅以及更高的溫度值,這表明,由于溫度過高造成往復(fù)式骨架油封唇口損傷以致出現(xiàn)泄漏的現(xiàn)象更易發(fā)生在外行程,在實際使用時應(yīng)多加注意。

        (2)依據(jù)所選橡膠材料的適用溫度范圍,再依照這4種因素對唇口最大溫度的影響,可以得出過盈量、流體壓力、往復(fù)速度和摩擦因數(shù)的合理取值區(qū)間。

        (3)對于往復(fù)速度這一影響因素,因為在分析的過程中考慮了運行時間的影響,所以當(dāng)往復(fù)速度達(dá)到某一值時,往復(fù)式骨架油封唇口處的溫度會出現(xiàn)驟升現(xiàn)象。

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