(1.嘉興南湖學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001； 2.嘉興學(xué)院 生物與化學(xué)工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

引言

旋轉(zhuǎn)式唇形密封是指內(nèi)圈與靜止軸過(guò)盈裝配、外圈與轉(zhuǎn)動(dòng)殼體安裝固定，并隨殼體一起旋轉(zhuǎn)的唇形密封圈，其屬于一種流體動(dòng)密封件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、綜合密封性能好等優(yōu)點(diǎn)[1]。當(dāng)殼體處于靜止或低轉(zhuǎn)速時(shí)，密封唇依靠徑向力與軸表面密切接觸而成為接觸式密封；殼體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，密封唇在高速旋轉(zhuǎn)離心力的作用下與軸表面脫開(kāi)而成為非接觸式密封[2-3]。旋轉(zhuǎn)式唇形密封較適用于設(shè)備停車(chē)時(shí)需要密封，以及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需要獲得可控泄漏率或降低摩擦扭矩的應(yīng)用場(chǎng)合，其典型的工程應(yīng)用為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料泵的一級(jí)密封和高速列車(chē)軸承的密封[4-6]。

密封圈轉(zhuǎn)速是影響旋轉(zhuǎn)式唇形密封性能的主要因素，脫開(kāi)轉(zhuǎn)速是旋轉(zhuǎn)式唇形密封設(shè)計(jì)的關(guān)鍵性能參數(shù)。脫開(kāi)轉(zhuǎn)速如若過(guò)低或過(guò)高，都將影響密封圈的密封性和可靠性。目前，脫開(kāi)轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)一般通過(guò)密封唇口徑向力或泄漏率建立臨界脫開(kāi)判據(jù)[3-5]，依靠試驗(yàn)研究法或設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)完成，導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高，已有的研究成果與工程設(shè)計(jì)應(yīng)用還存在一定的脫節(jié)。對(duì)于旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈，由于轉(zhuǎn)速越高，其產(chǎn)生的離心力增加，進(jìn)而對(duì)唇形密封的力變形及接觸性能參數(shù)的影響也越大。為建立密封唇口臨界脫開(kāi)判據(jù)與接觸性能參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)式唇形密封的脫開(kāi)轉(zhuǎn)速，探究密封圈轉(zhuǎn)速對(duì)其力變形及接觸性能參數(shù)的影響規(guī)律，是預(yù)測(cè)密封脫開(kāi)轉(zhuǎn)速的理論基礎(chǔ)。

為此，以旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈為研究對(duì)象，忽略溫度對(duì)密封圈接觸壓力及熱變形的影響[7]，設(shè)定密封圈唇口兩側(cè)為無(wú)壓力差工況，采用ANSYS軟件建立密封圈的軸對(duì)稱(chēng)有限元模型，計(jì)算密封圈在安裝靜止和工作轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變和接觸性能參數(shù)，分析密封圈轉(zhuǎn)速對(duì)唇口間隙、接觸寬度、接觸壓力大小及分布等的影響規(guī)律，研究結(jié)果對(duì)于旋轉(zhuǎn)式唇形密封脫開(kāi)轉(zhuǎn)速的工程設(shè)計(jì)具有重要的理論指導(dǎo)意義。

1 有限元模型

1.1 網(wǎng)格模型

旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈的結(jié)構(gòu)由橡膠本體、金屬骨架和卡緊彈簧組成，其規(guī)格以名義內(nèi)徑×外徑×寬度來(lái)表示，本研究分析的唇形密封圈規(guī)格為φ100×φ125×12 mm。由于密封圈截面幾何形狀的不規(guī)則性，其幾何模型利用AutoCAD軟件完成，如圖1a所示；考慮密封圈結(jié)構(gòu)和約束載荷的軸對(duì)稱(chēng)性，為節(jié)省模擬計(jì)算時(shí)間，采用ANSYS建立密封圈軸對(duì)稱(chēng)的有限元模型，如圖1b所示。有限單元選擇具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)的Solid plane183高階2維單元，單元屬性設(shè)置為軸對(duì)稱(chēng)，該單元對(duì)于復(fù)雜的幾何模型具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能較好地模擬橡膠材料的近乎不可壓縮的彈塑性變形特性[8]。采用四邊形網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，對(duì)密封圈的唇口部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分處理，以提高唇口接觸性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果的精度，并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，本研究模型共計(jì)網(wǎng)格數(shù)1696個(gè)，相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)為8201個(gè)。

1.2 材料屬性

唇形密封圈的橡膠屬于超彈性材料，具有高度的非線(xiàn)性變化的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。目前，較多文獻(xiàn)采用2項(xiàng)參數(shù)的Mooney-Rivlin模型[9-13]表征橡膠的超彈特性，本研究的2項(xiàng)參數(shù)分別取為：C10=-2.75 MPa，C01=4.6 MPa[14]，橡膠材料密度ρ1=1.4×103kg/m3。軸與金屬骨架的材料為45號(hào)鋼，其材料參數(shù)取為：彈性模量E=210 GPa，泊松系數(shù)μ=0.3[9]，密度ρ2=7.8×103kg/m3。

1.3 施加載荷

為求解密封圈唇口的接觸性能參數(shù)，創(chuàng)建軸表面與密封唇口的接觸對(duì)以模擬鋼與橡膠的實(shí)際接觸。因?yàn)殇摰膭偠冗h(yuǎn)大于橡膠，接觸性質(zhì)為接觸對(duì)中的剛體-柔體接觸，所以接觸對(duì)模型中僅以一條直線(xiàn)代表軸面；由于接觸方式屬于面-面接觸，為此設(shè)定軸表面為目標(biāo)面，唇口為接觸面[15-16]。模擬安裝狀態(tài)的壓緊載荷時(shí)，對(duì)密封圈的外周、背面分別施加徑向、軸向位移為0 mm的約束，卡緊彈簧圓弧槽處施加均勻分布?jí)毫?.01 MPa的彈簧卡緊力，軸面沿半徑方向施加過(guò)盈量大小為1.0 mm的位移；模擬工作轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)離心力時(shí)，對(duì)密封圈施加繞軸中心旋轉(zhuǎn)的角速度。有限元求解時(shí)，上述載荷可以分別按照安裝靜止和工作轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的兩步方式順序加載后計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 密封圈的應(yīng)力與應(yīng)變分析

有限元模擬離心力時(shí)，分別施加密封圈的旋轉(zhuǎn)角速度ω為0，200，300，400 rad·s-1，求解獲得密封圈處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的Von-Mises應(yīng)力云圖，如圖2所示。從圖中可知，最大應(yīng)力區(qū)域主要集中在金屬骨架靠近唇形密封的內(nèi)圈部分，這是因?yàn)樾D(zhuǎn)時(shí)，密封圈腰部結(jié)構(gòu)在離心力的作用下形成對(duì)金屬骨架的擠壓，隨著ω的增加，油封腰部離心力對(duì)金屬骨架的擠壓作用加劇，應(yīng)力向金屬骨架靠近唇形密封的外圈部分?jǐn)U散，其最大的Mises應(yīng)力數(shù)值由密封圈靜止時(shí)的0.816 MPa增加至5.036 MPa，為此，應(yīng)避免在密封圈腰部結(jié)構(gòu)的金屬骨架端形成應(yīng)力集中。對(duì)于密封圈腰部結(jié)構(gòu)和唇口部位的應(yīng)力，則表現(xiàn)出隨ω的增加而降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)ω為0 rad·s-1，即密封圈靜止時(shí)，其應(yīng)力主要由唇口過(guò)盈裝配和卡緊彈簧的壓緊力施加，當(dāng)ω增加時(shí)，壓緊力因離心力的抵消作用而逐漸減小。

圖3為不同轉(zhuǎn)速ω時(shí)唇形密封圈的Von-Mises應(yīng)變?cè)茍D。從圖中可知，應(yīng)變主要發(fā)生在密封圈的腰部結(jié)構(gòu)和唇口部分，隨著ω的增加，最大的Mises應(yīng)變值逐漸減小，其數(shù)值由靜止時(shí)的0.0667減小至0.0518，且最大應(yīng)變部位向金屬骨架端擴(kuò)散。這是因?yàn)棣貫? rad·s-1時(shí)，應(yīng)變由唇口過(guò)盈裝配和卡緊彈簧的壓緊力形成，隨著ω的增加，雖然離心力形成的應(yīng)變?cè)谠黾樱珘壕o力的應(yīng)變卻因離心力的抵消作用而逐漸減小。

通過(guò)對(duì)密封圈的Von-Mises應(yīng)力應(yīng)變分析可知，轉(zhuǎn)速對(duì)密封圈應(yīng)力應(yīng)變的影響主要作用在密封圈的腰部結(jié)構(gòu)和唇口部位。靜止時(shí)，密封圈的應(yīng)力應(yīng)變主要由唇口過(guò)盈裝配和卡緊彈簧的壓緊力形成；轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，密封圈由于旋轉(zhuǎn)離心力的作用，其唇口與軸面之間的接觸壓力減小，進(jìn)而導(dǎo)致密封圈腰部和唇部的應(yīng)力應(yīng)變減小。

2.2 密封圈的唇口接觸參數(shù)分析

1) 轉(zhuǎn)速對(duì)密封圈唇口間隙的影響

唇形密封在內(nèi)圈未與軸過(guò)盈裝配，且未施加彈簧卡緊力的情況下旋轉(zhuǎn)時(shí)，唇口僅在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下發(fā)生徑向位移即唇口間隙δ，其隨轉(zhuǎn)速ω的變化規(guī)律如圖4所示。從圖中可知，隨著ω的增加，唇口間隙δ呈現(xiàn)拋物線(xiàn)形狀的非線(xiàn)性增加趨勢(shì)，當(dāng)ω達(dá)到400 rad·s-1時(shí)，δ值約為0.86 mm。這是因?yàn)橄鹉z密封圈的彈性力變形具有非線(xiàn)性，以及離心力隨轉(zhuǎn)速非線(xiàn)性增加的綜合因素所致。通過(guò)該變化規(guī)律，可以獲得相應(yīng)脫開(kāi)轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)式唇形密封內(nèi)圈與軸裝配時(shí)的最小過(guò)盈量要求，同時(shí)可為密封圈脫開(kāi)轉(zhuǎn)速的初步設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的數(shù)值參考。

2) 轉(zhuǎn)速對(duì)密封圈唇口接觸性能參數(shù)的影響

密封圈唇口接觸性能參數(shù)可用接觸寬度L、最大接觸壓力pmax和徑向力Fr表征。圖5所示為密封圈唇口接觸性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速ω的變化規(guī)律。從圖中可知，當(dāng)密封圈ω為0 rad·s-1，即處于靜止時(shí)，由于離心力為0 MPa，唇口接觸狀態(tài)未受離心力作用的影響，因此，接觸寬度L、最大接觸壓力pmax和徑向力Fr均為最高值，其數(shù)值分別約為0.317 mm，1.57 MPa和0.116 N·mm-1。在研究的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著ω的增加，唇形密封圈所受的離心力作用增加，導(dǎo)致唇口與軸表面的接觸間隙增加，相當(dāng)于密封圈內(nèi)徑增大，造成唇形密封內(nèi)圈與軸的過(guò)盈量下降，從而導(dǎo)致了唇形密封的接觸寬度L、最大接觸壓力pmax和徑向力Fr均呈現(xiàn)非線(xiàn)性減小的變化規(guī)律，所得結(jié)果與文獻(xiàn)[3]相一致。當(dāng)轉(zhuǎn)速ω為400 rad·s-1時(shí)，L,pmax和Fr的數(shù)值分別約為0.065 mm，1.10 MPa和0.032 N·mm-1，相比密封圈靜止時(shí)分別下降了79.5%, 29.9%和72.4%，因此，隨轉(zhuǎn)速增加而減小的影響程度從大到小的排序?yàn)椋篖>Fr>pmax?？梢灶A(yù)測(cè)的是，如果ω繼續(xù)增加，密封圈唇口離心力作用變形加劇，唇口將與軸表面不再保持密切接觸狀態(tài)，唇口接觸性能參數(shù)值將減小至0，此時(shí)對(duì)應(yīng)的密封圈轉(zhuǎn)速可視為脫開(kāi)轉(zhuǎn)速。

3) 轉(zhuǎn)速對(duì)密封圈唇口接觸壓力分布的影響

為研究轉(zhuǎn)速對(duì)密封圈唇口接觸壓力p分布規(guī)律的影響，通過(guò)有限元后處理的路徑操作方法，在接觸壓力云圖(見(jiàn)圖6)上從唇口空氣側(cè)的接觸點(diǎn)為起始點(diǎn)，順次提取獲得接觸寬度L內(nèi)的節(jié)點(diǎn)壓力p，可得到不同轉(zhuǎn)速下唇形密封接觸壓力p的分布形狀，如圖7所示。從圖中可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速ω為0 rad·s-1時(shí)，接觸壓力p呈現(xiàn)顯著的非對(duì)稱(chēng)性分布形狀，最大接觸壓力pmax的位置靠近油側(cè)；隨著ω的增加，接觸壓力分布形狀的非對(duì)稱(chēng)性特點(diǎn)逐漸消失，由非對(duì)稱(chēng)性轉(zhuǎn)變?yōu)榻茖?duì)稱(chēng)性，且接觸寬度L和最大接觸壓力pmax一并逐漸減小，與圖5的結(jié)果相一致。為保證唇形密封具有反向泵送作用[16]的密封效果，設(shè)計(jì)時(shí)必須限制密封圈轉(zhuǎn)速以維持接觸壓力的非對(duì)稱(chēng)性分布形狀。因此，密封圈轉(zhuǎn)速的增加將降低唇形密封的密封性。

3 結(jié)論

通過(guò)建立的無(wú)壓差工況旋轉(zhuǎn)式唇形密封的有限元模型，求解了密封圈的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D和唇口接觸性能參數(shù)，分析了轉(zhuǎn)速在0～400 rad·s-1的變化范圍內(nèi)對(duì)密封圈計(jì)算結(jié)果的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1) 轉(zhuǎn)速是影響旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈接觸性能參數(shù)的主要因素，其對(duì)密封圈Von-Mises應(yīng)力應(yīng)變的影響集中在密封圈的腰部結(jié)構(gòu)和唇口部位。隨著轉(zhuǎn)速的增加，密封圈所受的離心力作用增大，唇口所受的壓緊力因離心力的抵消作用而減小，因此，密封圈腰部和唇部的應(yīng)力應(yīng)變呈現(xiàn)隨轉(zhuǎn)速增加而減小的變化規(guī)律；

(2) 轉(zhuǎn)速增加致密封圈所受離心力的作用加劇，隨著轉(zhuǎn)速的增加，密封圈唇口間隙呈現(xiàn)非線(xiàn)性增加的變化趨勢(shì)，其數(shù)值由靜止時(shí)的0 mm快速增加至0.86 mm，可為密封圈過(guò)盈量的初步設(shè)計(jì)提供數(shù)值參考；密封圈接觸寬度、最大接觸壓力和徑向力等接觸性能參數(shù)呈現(xiàn)非線(xiàn)性減小的變化規(guī)律，其大小分別由靜止時(shí)的0.317 mm，1.57 MPa和0.116 N·mm-1減小到0.065 mm，1.10 MPa和0.032 N·mm-1，它們隨轉(zhuǎn)速增加而減小的影響程度排序?yàn)椋航佑|寬度>徑向力>最大接觸壓力；密封圈接觸壓力的分布形狀呈現(xiàn)從非對(duì)稱(chēng)性逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱(chēng)性的變化規(guī)律，因此，轉(zhuǎn)速的增加降低了旋轉(zhuǎn)式唇形密封的密封性。