吳倩文,王 偉

(青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266042)

旋轉(zhuǎn)油封具有性能穩(wěn)定、安裝簡(jiǎn)便、隨動(dòng)性好、密封可靠等優(yōu)點(diǎn),適用于溫度、壓力和速度較高的密封場(chǎng)合。旋轉(zhuǎn)雙唇油封的基本功能是在旋轉(zhuǎn)軸和密封唇之間提供靜態(tài)和動(dòng)態(tài)密封性,此外,副唇還可以防止灰塵和污垢從外部進(jìn)入[1]。

油封在運(yùn)行狀態(tài)下,由于剪切應(yīng)變和摩擦,油封唇口與旋轉(zhuǎn)軸接觸區(qū)域受到比油封其他部分更高的溫度。大多數(shù)油封失效是油封唇口摩擦生熱引起的高溫導(dǎo)致的[2],溫度會(huì)強(qiáng)烈影響油封橡膠材料的硬度和力學(xué)性能,因此接觸壓力、摩擦和磨損也強(qiáng)烈依賴于唇口溫度[3]。因?yàn)橄鹉z是熱的不良導(dǎo)體,油封唇口熱量的積累會(huì)加速油封的磨損老化,進(jìn)而影響油封的使用壽命[4],因此建立可靠的油封模型,對(duì)油封溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)具有重要意義。

油封雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但由于生熱研究涉及到流體力學(xué)、固體力學(xué)、傳熱學(xué)、摩擦學(xué)和動(dòng)力學(xué)等多方面的知識(shí)[5],油封的溫度場(chǎng)分析也是近年來油封領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[6-8]。本文利用ABAQUS建立旋轉(zhuǎn)雙唇油封的動(dòng)態(tài)生熱模型,考慮了橡膠材料的非線性力學(xué)行為,油封唇口的大變形以及油封唇口與軸的接觸非線性邊界條件,采用熱-力耦合方法,模擬得到了油封唇口溫度場(chǎng)以及唇口與軸接觸區(qū)域的壓力分布,還研究了轉(zhuǎn)速和彈簧力對(duì)油封唇口溫度和最大接觸壓力的影響,可為不同工作條件需求的參數(shù)選擇提供參考。

本工作研究了油封的干摩擦工況和良好潤(rùn)滑工況。實(shí)際油封運(yùn)行時(shí)并不總是處于良好的潤(rùn)滑狀態(tài)。油封因寒冷天氣溫度低,流體流動(dòng)緩慢,在初始運(yùn)行時(shí),油封唇口與軸尚未形成所穩(wěn)定的潤(rùn)滑油膜時(shí)便會(huì)出現(xiàn)潤(rùn)滑不足的狀況,此時(shí)唇口與軸之間極易發(fā)生干摩擦。此外,新油封啟用以及油封潤(rùn)滑失效后未及時(shí)更換油封也會(huì)出現(xiàn)干摩擦工況,而干摩擦工況會(huì)加速油封唇口的磨損和老化,因此,對(duì)干摩擦工況研究同樣具有實(shí)際意義。

1 旋轉(zhuǎn)雙唇油封的有限元模型建立

1.1 幾何模型

本文以型號(hào)為FB47×84×10.5的彈簧內(nèi)包金屬骨架型雙唇油封為研究對(duì)象。為提高計(jì)算效率,根據(jù)油封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立油封的軸對(duì)稱模型,在其幾何模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)格劃分,賦予材料屬性的旋轉(zhuǎn)雙唇油封有限元模型,如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)型雙唇油封軸對(duì)稱模型及材料分布

圖1中的油封由橡膠、金屬骨架和彈簧3部分組成,其中紅色部分為鋼、綠色部分為橡膠、灰色部分為彈簧。模型橡膠部分采用CGAX4H單元。模型共有7 542個(gè)節(jié)點(diǎn),7 079個(gè)單元。對(duì)唇口網(wǎng)格進(jìn)行局部加密以獲得精確的仿真結(jié)果。

1.2 材料模型

考慮到橡膠的材料非線性,本文采用Yeoh超彈性本構(gòu)方程來描述其力學(xué)行為。Yeoh模型應(yīng)變能方程只包含I1,與I2無關(guān),形式相對(duì)簡(jiǎn)單。相對(duì)比常用的Mooney-Rivlin模型,Yeoh模型能在更寬的應(yīng)變范圍內(nèi)適用[9]。

Yeoh模型的應(yīng)變能函數(shù)關(guān)系如式(1)所示[10]。

W=C10(I1-3)+C20(I1-3)2+C30(I1-3)3

(1)

式中:W為應(yīng)變能密度;I1為第一Green應(yīng)變不變量;C10、C20、C30為Rivlin系數(shù)。

Rivlin系數(shù)可由橡膠單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合得到。在24 ℃室溫下使用電子拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)橡膠拉伸試樣進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn),用得到的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合Yeoh模型,最終得到:C10=1.167 MPa、C20=-0.056 MPa、C30=0.003 MPa。

材料的熱學(xué)性能參數(shù)見表1。

1.3 邊界條件及加載方法

在模擬過程中,首先將彈簧安裝在油封中,然后旋轉(zhuǎn)軸向唇口移動(dòng),模擬了初始過盈的裝配過程。油封與旋轉(zhuǎn)軸的接觸采用罰函數(shù)求解,將摩擦系數(shù)簡(jiǎn)化為常數(shù)來考慮。為了與實(shí)驗(yàn)條件保持一致,將初始溫度設(shè)為24 ℃,在溫度-力場(chǎng)耦合模塊設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)和熱輻射系數(shù)。然后對(duì)位于潤(rùn)滑油介質(zhì)的油封表面施加0.055 MPa的流體壓力。并對(duì)軸施加1 000 r/min的轉(zhuǎn)速,模擬油封的工作狀態(tài),在該轉(zhuǎn)速下運(yùn)行30 min,獲得穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 油封生熱分析

圖2為旋轉(zhuǎn)雙唇油封的溫度分布。由圖2可以看出,因?yàn)橛头獾臒崃恐饕肯鹉z唇口與旋轉(zhuǎn)軸摩擦生熱產(chǎn)生,而橡膠是熱的不良導(dǎo)體,所以高溫區(qū)域集中在主副唇與旋轉(zhuǎn)軸接觸區(qū)域,而遠(yuǎn)離唇口的橡膠溫度較低。由于彈簧的收縮力、唇冠部和腰部的拉伸變形共同作用于主唇口,使主唇口對(duì)軸形成壓緊力,達(dá)到密封效果。主唇口是油封的主要部位,因此針對(duì)主唇口的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究。

圖2 油封的溫度場(chǎng)分布

油封溫升曲線實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由油封測(cè)試工裝試驗(yàn)機(jī)和紅外成像儀測(cè)得,實(shí)驗(yàn)儀器如圖3所示。

(a) 油封測(cè)試工裝試驗(yàn)機(jī)

將旋轉(zhuǎn)雙唇油封安裝在工裝試驗(yàn)機(jī)上,由試驗(yàn)機(jī)后置變頻電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速來進(jìn)行摩擦升溫測(cè)試,實(shí)驗(yàn)中軸的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。使用紅外成像儀測(cè)得油封唇口與旋轉(zhuǎn)軸接觸位置的溫度[11],測(cè)試時(shí)室溫為24 ℃。

將紅外成像儀得到的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)與模擬的溫度數(shù)據(jù)比較,結(jié)果如圖4所示。實(shí)驗(yàn)和模擬的初始溫度均為24 ℃,初期由于軸的高速旋轉(zhuǎn)與油封唇口摩擦產(chǎn)生大量熱,使溫度快速升高。運(yùn)行一段時(shí)間后,油封唇口的生熱與外部環(huán)境的熱對(duì)流和熱輻射逐漸達(dá)到平衡,溫升曲線也趨于平緩。由圖4可知,模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的油封唇口溫升曲線吻合度很好,這表明模擬預(yù)測(cè)的結(jié)果是可靠的。

t/s圖4 模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的油封唇口溫升曲線比較

2.2 轉(zhuǎn)速的影響

轉(zhuǎn)速是影響油封生熱溫度場(chǎng)的一個(gè)重要因素[12]。

本文研究了干摩擦和潤(rùn)滑有油壓兩種工況下,彈簧力為6.7 N保持不變,不同轉(zhuǎn)速對(duì)油封溫度的影響。圖5和圖6分別為兩種工況下轉(zhuǎn)速分別為800、1 000、1 200、1400、1 600、1 800、2 000 r/min的油封唇部溫度分布。由圖5可知,在干摩擦工況下隨轉(zhuǎn)速的增加,油封唇口最高溫度逐漸升高,并且唇部溫度變化梯度也逐漸增加。

(a) 800 r/min

(b) 1 000 r/min

(c) 1 200 r/min

(e) 1 600 r/min

(f) 1 800 r/min

(g) 2 000 r/min圖5 干摩擦工況不同轉(zhuǎn)速下的油封唇部溫度分布

圖6為良好潤(rùn)滑情況下不同轉(zhuǎn)速的油封唇部溫度分布。由于潤(rùn)滑油膜的存在降低了唇口與旋轉(zhuǎn)軸的摩擦系數(shù),因此良好潤(rùn)滑情況下的油封唇口最高溫度相對(duì)于干摩擦工況偏低。隨著轉(zhuǎn)速的增加,良好潤(rùn)滑工況更能明顯看出油封唇部溫度變化。

(a) 800 r/min

(b) 1 000 r/min

(c) 1 200 r/min

(d) 1 400 r/min

(e) 1 600 r/min

(f) 1 800 r/min

(g) 2 000 r/min圖6 良好潤(rùn)滑工況不同轉(zhuǎn)速下的油封唇部溫度分布

圖7是兩種工況下轉(zhuǎn)速對(duì)油封唇口最高溫度和唇口最大接觸壓力的影響。由圖7(a)可知,在兩種工況下油封唇口最高溫度與轉(zhuǎn)速是近似線性增加的關(guān)系。油封接觸區(qū)域的摩擦熱絕大部分需要通過軸傳遞到潤(rùn)滑油或者空氣中,隨著轉(zhuǎn)速的增加,油封唇口與軸接觸部位產(chǎn)生的摩擦熱更多,而對(duì)流換熱隨轉(zhuǎn)速的增加量不明顯,直接導(dǎo)致唇口溫度不斷升高。在良好潤(rùn)滑工況下轉(zhuǎn)速每增加200 r/min,溫度升高約7 ℃。而在干摩擦工況下,因摩擦系數(shù)大,產(chǎn)生的熱量更多,溫度更高,轉(zhuǎn)速每增加200 r/min,溫度升高約13 ℃,溫升幅度更大。

圖7(b)是在兩種工況下轉(zhuǎn)速對(duì)油封唇口最大接觸壓力的影響,因?yàn)樵谀M分析中油封運(yùn)行時(shí)間為30 min,時(shí)間較短,磨損較輕[13],此處忽略因磨損變形對(duì)油封唇口接觸壓力的影響。由圖7(b)可以看出在兩種工況下油封的唇口接觸壓力均未隨轉(zhuǎn)速的增加而有所變化,干摩擦工況要比良好潤(rùn)滑工況下的油封唇口最大接觸壓力偏大,油封與軸接觸位置的壓力變化主要是靠抱軸力的改變,短時(shí)間內(nèi)增加軸的轉(zhuǎn)速對(duì)油封的抱軸力并無影響,若長(zhǎng)時(shí)間的高轉(zhuǎn)速會(huì)讓油封處于高溫高負(fù)荷狀態(tài),會(huì)加速橡膠油封的磨損和老化,油封唇口接觸壓力也會(huì)改變,進(jìn)而影響油封的使用壽命。

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)(a)

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)(b) 圖7 兩種工況下轉(zhuǎn)速對(duì)油封唇口最高溫度和唇口最大接觸壓力的影響

2.3 彈簧力的影響

彈簧力是影響油封唇口溫度場(chǎng)的另一重要因素。

彈簧給油封唇口提供的箍緊力,是油封抱軸力的來源之一,且能補(bǔ)償橡膠因老化和磨損而損失的抱軸力,可在一定程度上防止油封泄漏。彈簧偏移量為彈簧中心與唇尖的軸向偏差,彈簧一般安裝在偏向空氣側(cè)位置以提供泵汲效應(yīng)所需的接觸應(yīng)力,彈簧的位置會(huì)影響接觸面積的寬度[14]。

本文研究了干摩擦和良好潤(rùn)滑兩種工況下,轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí),彈簧力分別為3.7 N、5.2 N、6.7 N、8.2 N、9.7 N時(shí)油封唇部的溫度場(chǎng)分布,隨著彈簧力的增大,油封唇部溫度變化梯度和唇口最高溫度都略有增加,總體相差不大,與圖8大體一致。

(a) 干摩擦工況

(b) 良好潤(rùn)滑工況圖8 兩種工況下油封唇部溫度分布

由圖8可以看出,高溫區(qū)域位于油封唇口與軸的接觸部位,最高溫度出現(xiàn)在唇尖位置。干摩擦工況的唇口最高溫度為93.1 ℃,良好潤(rùn)滑工況的唇口最高溫度為60.3 ℃。由于橡膠的導(dǎo)熱系數(shù)較小,溫度由油封唇尖部位向內(nèi)側(cè)遞減?？諝鈧?cè)的對(duì)流換熱系數(shù)要低于油側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù),因此靠近空氣側(cè)的唇口接觸部位的高溫范圍更大。

圖9是兩種工況下彈簧力對(duì)油封唇口最高溫度和唇口最大接觸壓力的影響。由圖9(a)可知,在兩種工況下油封唇口最高溫度與彈簧力是近似線性增加的關(guān)系,在干摩擦工況下,彈簧力每增加1.5 N,溫度升高約3.1 ℃。在良好潤(rùn)滑工況下彈簧力每增加1.5 N,溫度升高約1.4 ℃,比干摩擦工況的溫升幅度小。由圖9(b)可知,油封唇口最大接觸壓力隨彈簧力的增大而增大,這是因?yàn)閺椈闪Φ脑黾?增大了油封唇口的抱軸力。彈簧力小雖然能一定程度減低油封唇口的摩擦生熱,但會(huì)降低油封的抱軸力進(jìn)而影響到油封的密封,彈簧力的增加有利于提高油封的密封性能,但同時(shí)也會(huì)加劇油封橡膠材料的磨損,影響油封的使用壽命,因此應(yīng)選用適當(dāng)?shù)膹椈闪Α?/p>

彈簧力/N(a)

彈簧力/N(b) 圖9 兩種工況下彈簧力對(duì)油封唇口最高溫度和唇口最大接觸壓力的影響

3 結(jié) 論

(1)建立了旋轉(zhuǎn)雙唇油封的熱—力耦合有限元模型,得到了油封各部位的溫度分布。模擬得到的油封唇口最高溫度的溫升歷程曲線與實(shí)驗(yàn)溫升曲線吻合很好,驗(yàn)證了本文方法的有效性。

(2)研究了干摩擦和良好潤(rùn)滑工況下油封唇部溫度場(chǎng)。由于潤(rùn)滑油膜降低了唇口接觸區(qū)域摩擦系數(shù),在良好潤(rùn)滑工況下的油封唇口的最高溫度更低。轉(zhuǎn)速和彈簧力的增加均會(huì)不同程度地增加油封唇部的溫度變化梯度和油封唇口的最高溫度。

(3)得到了干摩擦和良好潤(rùn)滑工況下由于在本模擬分析中油封的運(yùn)行時(shí)間為30 min,時(shí)間較短,磨損較輕,忽略磨損與老化,油封唇口最大接觸壓力僅隨彈簧力的增加而增大,轉(zhuǎn)速的改變對(duì)其無影響。