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油封唇口压力大小及分布的有限元分析 |
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作者：王保森 何红 杨伟民 |
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油封是一种高技术含量的精密橡胶零件，它是通过柔性橡胶(或者皮革、塑料等)密封件与轴的接触来防止润滑油或其他介质的泄漏。不少专家学者对油封的密封机理进行研究，提出了表面张力理论，吸附理论，还有的提出了边界润滑理论。而不管是哪种理论，其成立的基础都是在轴与油封唇口之间存在着油膜。油膜的存在状态直接影响着密封的效果和油封的使用寿命。油封在使用过程中可能出现以下状况，即:干摩擦、边界润滑、境界润滑、流体润滑、大量泄漏。其油膜状况是:没有油膜(千摩擦状态)、境界润滑膜(边界润滑状态)、流体润滑膜(境界润滑状态)、油膜破坏(流体润滑状态)、油膜消失(大量泄漏)。油膜厚度和位置是关系到骨架油封能否具有良好的初始密封效果和持久的使用寿命的关键.油封处于边界润滑状态时油封唇口对轴有良好的接触，而且表面接触应力集中分布在宽度为0.lmm~0.25mm的接触带上。图1(a)是边界润滑状态，接触应力Pr集中分布，油膜薄且呈三角形分布在空气侧，因此具有良好的吸附能力和密封效应。图1(b)是境界润滑状态，接触应力分布都比较分散。油膜厚且分布在唇下的空气侧和油例(属于流体润滑膜)，因此吸附能力很差，易出现泄漏。图1(c)是流体润滑状态，接触应力P:严重分散。油膜厚且分布不均，因此丧失吸附能力，出现严重泄漏。 
从前人对油封机理的研究可以看出，油封密封性能的好坏，主要取决于油封唇口与轴径之间油膜的厚度及接触应力的分布状态。而油膜的厚度与接触压力的大小有直接的关系，所以可以说油封密封性能的好坏以及寿命的长短在很大程度上取决于油封唇口压力的大小及分布状态。本文利用大型有限元分析软件Ansys建立了油封的有限元模型并进行了模拟分析，从而考察了油封的一些结构参数以及油封用弹簧弹力对油封唇口压力大小及分布的影响，为对油封进行进一步的结构优化和疲劳分析奠定了基础。
1 计算模型
由于油封的机构比较复杂，为了建模和分析的方便，在建模时简化了其形状，省去了一些对结果不会产生大的影响的一些结构细节。而且考虑到油封在装配时的完全轴对称性，我们采用二维轴对称模型来模拟实际中的三维问题，这种简化不会影响分析结果，但是将大大减少建模及分析的时间。所建的油封的二维轴对称模型如图2所示.型号50X70 X8 (mm)。材料为丁睛橡胶(NBR)。途中β为油封弹簧中心与油封唇口间的垂直距离，也被称为理论接触宽度。a和β分别为油封唇口油侧及空气侧与轴的夹角，又称为前唇角和后唇角。
2 有限元模型
本文所进行的静态分析中，油封材料(橡胶)的超弹特性以及分析中存在的大变形和接触问题，使得分析包含了材料非线性，接触非线性以及大变形(结构)非线性3种情况。这些非线性往往使分析难以收敛，所以为了分析的方便，在不太影响分析结果的情况下作者提出了一些假设。
(1)油封材料具有确定的弹性模量E和泊松比μ;
(2)由钢制造的轴及油封固定外套的刚度是橡胶的几万倍，可以不考虑其变形，即视为油封变形时的约束边界。
本文用简化后的Mooney——Revlin模型描述橡胶材料的应变能函数:
W=C1(I1-3)+C2(I2-3)
应力应变关系为:
本文使用的分别为C1和C21.87和0.47。
分析模型中，橡胶单元采用HYPER74，弹簧和骨架采用线性实体单元PLANE82，模型中还包含ANSYS建立接触对时自动生成的接触单元TARGE169和CONTA172。求解只设了一个载荷步—由轴施加的作为过盈量的X方向的位移。
3 计算结果分析
本文在静态下对影响油封唇口接触压力大小及分布的因素进行分析。分析结果及分析如下。
(1)唇口接触宽度R值的大小(如图2所示)对油封唇口压力大小及分布的影响.
图2 油封集合模型
图3 油封的有限元模型
油封唇口接触宽度R是指油封唇口与弹簧槽中心的轴向距离，它的存在使得接触压力主要分布在油封的空气侧，从参考文献中可以知道R值的大小直接影响着唇口压力的分布，并对油封唇口接触压力的大小也有一定的影响。本文通过其它参数不变，只改变R值的方法分析了R值对油封唇口接触压力分布及大小的影响，图4和图5分别给出了唇口最大接触压力和前后唇角接触宽度随R值变化的情况。图6所示的是R=0.6mm时的唇口接触压力分布图。
图4 油封最大接触压力随R值的变化
图5 油封前后角接触宽度随R值的变化
从分析结果不难看出随着R值的增大唇口处最大接触压力会因为弹簧作用的减弱而有一定的减小，但是影响不是很大。前唇角接触宽度随R值的增加有比较明显的减小，这也证明了R的存在能够使接触主要存在于空气侧观点。但是与前人理论观点不同的是，在R值增大的过程中后唇角接触宽度(即空气侧接触宽度)也有一定的减小，本文认为后唇角接触宽度减小的原因是弹簧作用的减弱。此分析方法及结果对于设计或者选用油封唇口接触宽度R有一定的指导意义。
(2)过盈量对油封唇口压力大小的影响。
过盈量是指在自由状态(未装弹簧时)唇口直径与轴径之差。它可产生唇口无弹簧时的径向力，并补偿轴的偏心。过盈量过小，在安装偏心和轴跳动量大时，造成泄漏，降低密封性;过盈量太大，使唇口紧贴在轴上，唇轴间的间隙过小，唇和轴之间呈“干接触”，在高速旋转下，唇和轴表面间便会迅速产生高温，加速唇口老化龟裂，甚至烧损密封唇，使密封无效。因此，选择适当的过盈量非常重要。本文通过单独改变过盈量的方法分析了过盈量对接触压力大小的影响。由于实际当中多数使用弹簧，所以分析在有弹簧的情况下进行。本文对过盈量从0.2mm到0.8mm进行了渐变分析。图7和图8分别描绘了唇口最大接触压力以及唇口接触宽度随过盈量的变化情况。图9和图10所示的是过盈量为0.2mm和0.8mm时的唇口接触压力分布情况。
图7 唇口最大接触压力随过盈量的变化
图8 唇口接触宽度随过盈量的变化
图9 过盈量为0.2mm时唇口压力分布情况
图10 过盈量为0.8mm时唇口压力分布情况
分析的结果证明了前人的经验结论，分析的方法可以用来根据压力需要确定过盈量选择。
(3)弹簧劲度对油封唇口压力的影响的模拟
油封弹簧的作用有提高接触压力和提高油封唇口对轴跟随性的作用。本文对油封弹簧劲度对油封唇口接触压力大小及分布的影响进行了模拟分析。分析在R=0. 6mm，过盈为。. 4mm的情况下进行.分析结果如图12和图13所示.由图中所示的分析结果可以看出前角接触宽度变化不大，而最大接触压力和后角接触宽度都随着弹簧劲度的增大而增大。这些分析与实际相符，对用户根据压力需要选择弹簧劲度有一定的指导意义。
图11 唇口最大接触压力随弹簧劲度的变化
图12 唇口接触宽度随弹簧劲度的变化
(4)后唇角对油封接触压力大小及分布的影响。
由参考文献可以知道油封的前后唇角的差值对油封的泵汲效应有很大影响。选择合适的前后唇角大小对于油封的密封性能有很重要的影响。本文认为油封唇口前后唇角，尤其是后唇角的大小对唇口接触压力的大小及分布也会有很大的影响.因此本文在静态情况下分析了后唇角对接触压力分布及大小的影响。分析在R=0. 6mm，过盈量为0. 4mm，弹簧劲度为3142N/m的情况下进行。所得结果如图13和图14所示。从图中给出的结果可以看出随着后唇角的增大，接触宽度明显的减小，接触宽度的减小使得唇口最大接触压力随之增大。此分析方法可以用来根据接触压力及接触宽度的需要选择后唇角的大小，对产品设计有一定的指导意义。
图13 唇口最大接触压力随唇角大小的变化
图14 后唇口接触宽度随后唇角大小的变化
除上述分析的典型参数外，轴的表面粗糙度，安装误差，同轴度，油封用橡胶材料参数以及运动情况都对油封唇口的压力大小及分布存在着影响，也就是都对油封的密封性能存在着影响。
4 结论
1)成功实现了利用ANSYS对有封的静态非线性分析有限元分析;使多年的经验设计得到了验证，为油封的设计和选择提供了理论指导;
2)分析计算了油封唇口接触宽度、过盈量、弹簧劲度以及油封后角大小对油封唇口接触压力大小及分布的影响。唇口接触宽度对油封唇口接触压力的大小影响不大，但是随着唇口接触宽度R的增大，接触开始主要发生在空气侧，这刚好体现出了R存在的意义。过盈量是弹簧没有预紧的油封产生唇口压力的唯一途径，从分析可以看出随着过盈量的增大，后角接触宽度都有明显的增加，由于接触宽度的增加所以唇口接触压力的增加相对较缓。弹簧劲度的增大使得唇口接触宽度与最大接触压力都缓慢增加。后唇角接触宽度随后唇角的增大有较明显的减小，而最大接触压力随后唇角的增大缓慢地增大。本文的这些分析及取得的结果对产品的设计和选择有一定的指导意义，同样为以后产品结构的优化提供了理论基础和方法。(end)
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(8/25/2007) |
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