（动力工程及工程热物理专业论文）径向唇形密封的密封性能研究.pdf

中文摘要 摘要 密封系统可靠性影响着旋转机械的可靠性，而径向唇型密封是一种常见的重 要密封。径向唇形密封失效原因有很多，主要与密封接触区域的生热和泵汲效应 有关。密封的泵汲率并不是越高越好，因为唇口生热量可能也很高，密封性能仍 然不佳。密封参数设计时，既要考虑各参数对生热和泵汲效应的单一影响，又需 要综合考虑生热和泵汲效应对密封性能的影响，而此类研究缺乏。本文针对这一 研究现状，以轴的微观往复运动机理为基础，并考虑抱轴力与唇口形变量之间的 应变关系，建立密封区域的二维模型，分别利用理论分析和c f d 数值模拟方法分 析相关参数对密封性能的影响。 理论分析结果表明，密封间隙内的压差作用才是影响泵汲效应的主要因素， 微观往复运动对泵汲效应没有明显影响。转速提高后，泵汲率增大，但是唇口单 位面积生热量和总生热量也都增加，密封性能不一定得到提高。当抱轴力增加时， 生热量增加，泵汲率不变，密封性能下降，因此在满足跟随性的前提下，抱轴力 应当尽量设计为较小值。随着材料杨氏模量的提高，泵汲率逐渐减小，总生热量 不变，单位面积生热量增加，密封性能下降。随着唇口厚度增加，泵汲率逐渐增 加，唇口总生热量不变，单位面积生热量减小，密封性能提高。轴径增加后，轴 表面的线速度增加，泵汲率显著提高，单位面积生热量和总生热量也同样增加很 多。在设计密封唇角时，应该选取较小的空气侧唇角，并保持两侧唇角之差约为 2 0 3 0 0 ，这时唇口总生热量一定，泵汲率相对较高，密封性能良好。 c f d 模拟结果表明，由偏心造成的周期性微观往复运动、转速和接触宽度对 密封间隙及附近的压力分布有一定影响，且当接触宽度较大，偏心角度为1 0 时， 泵汲率较高；当接触宽度较小，偏心角度为o 5 1 0 时，泵汲率较高。然而模拟所 得泵汲率相对理论分析所得计算结果仍偏小，这也说明理论分析与模拟的结果具 有一致性，即唇口的压力分布才是影响泵汲效应的主要因素，而微观往复运动对 泵汲效应影响有限。 关键词：径向唇形密封，生热，泵汲，密封性能 重鏖盔堂堡主堂垡笙奎 _ 一 i i a b s t r a c t t h em d i a ll i ps e a li so n eo f t l l em o s ti m p o n a n ts e a l s ，w 1 1 i c hh a sm u c h 枷u c n c e 0 n 也er e l i d b i l 毋o f 也er o t a r ) rm e c h 觚i c a ls ys t i e m 1 w om a i nr e 勰o l l so ft 1 1 ef a i l u r eo n s e a l 迦眦h e a tg e n e 蒯o na n dp u m p 吨e 疏c to f 也es c a l 吨a r c 乱m l e n 纰p n p 吨 眦i sl l i 曲e r ，也es e a l i n gp e r f o m 锄c em a y1 1 0 tb c a s 也eh e a tg e n e r 撕0 nm a yb e m u c hm o r e ，t o o n o ws u c hr e s e a r c hi sl a c k ，i i lw h i c ht ：h ci n f l u e n c eb yh e a tg e 玳：r 乏晡o n a i l dp 啪p i i l ge 艉c t sh a v eb e e nt a l ( e ni n t 0a c c 0 u | 1 tc o m p r e h e n s i v e l yw l l i l ed e s i 罂l i i l g 也e s e a l s i n 蚰sa n i c l e ，t h e 也e o r e t i c a l 觚a l y s i sa 1 1 di m m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t l l o da r eu s e d t os t u d y 舭硼u e n c eo fm a j np 黝e t e r so n 恤s e a l 沁p e 面衄趾c e ，b y e s 诅b l i s h h l g 细o - d i l l l e l l s i o n a lm o d e lo ft h es e a l i n ga r e a n e we x p r e s s i o l l so fh c a tg e n e r a t i o n 觚d p u l 】叩i n gr a t ea r ei l l v e s t i g a t e d ，c o n s i d e 血gt 1 1 ei n l p a c to fw 血g i i l gf o r c eo nc o l l t a c t w i 拙弛d 吐l em i c r or e c i p r o c a t i n gm o t i o nm e c b a n i s mo fs h a r n l er e s u l t so f m e o d ra i l a l ) r s i ss h o wt h a t ，p r e s s u r e 鲫i e n ti sm e k e y 缸t o r 砌c h h a sm u c hi n o r ei n f l u e n c eo n p 硼叩i i l ge 船c t ，b u tn o t 让l e 戚c r or e c i p r o c a t i n gm o t i o n h i 9 1 lp u n l p i n gr a t ed o c sn o t l e a i la9 0 0 ds e m i n gp e 墒姗a 1 1 c ew i 也s h 疆s p e e d i n c r e 嬲i n b e c a u s em et o t a l 趾dp e fu i l i ta r e ah e a tg e m r a t i o ne x p e r i e n c ea r a p i d l yr i s e ， t o o t h eh e a tg e n 酬i o ni n c r e 嬲e sw h e nm ew r i n g i l l gf o r c e i n c r e 嬲e s ，t l 圮s e a l i i 培 p e 响n 1 1 觚c ed e c r e 硒e sw m l en l ep u m p i n gr a t eu i l c h a l l g e d ，n l e r e 内r e ，也e 蚵n 西n g f o r c es l l o u l db e 觞s m a l l 舔p o s s i b l e 砌l ed e s i 鲥n g 也es e a l s ，i fm e r ei sn 0 1 e a l 【a g e t h e s e a l i n gp e r f o n n a n c ei sn o ti i n p r o v e d 埘t l lm ey o u i l g sm o d u l u sr i s i l l g ，硒t i l ep u m p i n g r a ：t ed e c r e a s e s ，w h i l em et o t a lh e a tg e n e r a t i o nu n c h a i l g e da 1 1 dh e a tg e n e r a t i o np e ru i 】血 a r e ag o e sr i s e w i mt l l el i pn l i c k n e s si 1 1 c r e 硒i i l g ，t l l ep u i 】叩i n gr a t ei si n l p r o v e d ，t h et o t a l h e a tg e n e r a t i o nu r l c t m g e d ，w h i l eh e a tg e n e r a t i o np e ru i l i ta r e aw i l l f 址l ，h e 夏l c e 也e s e a l i n gp e r f o 加a i l c ei sg o o d t h ep u i 】叩i l l gr a t ee x p e r i e n c e sar 印i d l yg m w l 谢mm e i n c r e a s eo fs h a rd i 锄e t e r ，b u tt 1 1 eh e a tg e n e r a t i o ni sm u c kt o o 0 fc o u r s e ，t h es e a l i n g p e d 0 m a l l c em a yb en o ti m p r o v e d w h e nm ea i rs i d ea 1 1 9 u l a ro f t l l el i pi s 嬲s m a l l 嬲 p o s s i b l e ，a i l dm ed i 插：r e n c eo fb o ms i d e sa 1 1 9 i l l a ro ft h el i p si sa b o u t2 0 3 0 。，m es e a l i n g p e r f o r m a l l c ei sg o o d ，a sm e r ei sah i 曲p u i 】叩i 1 1 9r a t er e l a t i v e l y ，w m l et l l et o t a lh e a t g e n e r a t i o nm l c h a l l g e d t h cr e s 如o fn u m e r i c a ls 蛔m a t i o no fc f ds h o w 也a t ，l cm i c r or e c i p r o c a t i n g m o t i o nc a u s e db ye c c e n t r i c ，s ms p e e da 1 1 dc o n t a c t 谢d mh a v ei n n u e n c eo nm e p r e s s u r ec o n t o u r sn e a r b ys e a l i n gg 印t h e r e 、) l ，i ub eam g l lp u m p i i l gr a t e 、v i mal a r g c i i i 重庆大学硕士学位论文 c o n t a c t 诵d 血a n de c c e n 仃i c 趾g l e1 。，o r 诵mas m a l lc o m a c t 埘d t l l 锄de c c e n t r i ca i l 酉e o 5 1o t h es i m u l a t i o nr e s u l ti sm u c hl e s st h 觚伧t ：h e o r e t i c a ld a d 如舡l di tc a np r o v e 衄p r e s s u r e 黟a d i e n th a s1 1 1 u c hm o r ei i l f l u e n c eo np 姗p i n ge 彘c t ，w k l e 1 ei i l f l u e n c e o f 面c r 0r e c i p r o c a t i n gm o t i o nc 锄b ei 驴o r e d k e yw o r d s ：m d i a ll i ps e a l ，h e a tg e n e r a 廿o n ，p u m p i n g 豫t e ，s e a l i n gp e 渤m 觚c e i v 主要符号表 主要符号表 符号说明 沿轴向两侧扩展的长度m 偏心位移m 唇口的接触宽度m 轴径m 橡胶材料杨氏模量m p a 有效压缩模量m p a 摩擦系数 单位长度径向力n ，m 抱轴力n 油膜膜厚m 唇口最大压力处膜厚m 唇口最大压力梯度处膜厚m 唇口厚度m 转速触 唇口最大压力梯度 唇口最大压力p a 泵汲率m 3 s 唇口总生热量w 半径m 形状因子 油侧( 前) 唇角。 空气侧( 后) 唇角。 流体粘度p a s 流体密度蚝，m 3 旋转角速度删挑 唇口形变量m 偏心角度。 v i i - ， 将 口 彳6 d e 眈厂f g 厅扩h 珂。p k g q r s 仅声 叮p 艿 9 重庆大学硕士学位论文 v i i i l 绪论 1 绪论 1 1 径向唇形密封简介 1 1 1 起源与发展 径向唇形密封圈俗称油封，是工业中最常用的一种橡胶密封制品，由德国弗 罗依登贝克( f r e 切) e n b e r g ) 公司的西默( s i m m e r ) 博士于1 9 2 9 年发明，它的英 文称之为s m m 正r 划时g ( 西默灵) 。径向唇形密封常与旋转轴承一起使用，是维持 轴承寿命和保障机械设备正常运转的重要元件，一般将其安装在设备的旋转轴端 部，使用条件为压差不超过o 0 3 m p a 。当轴旋转时，在密封唇口与旋转轴表面之间 可以建立起稳定的润滑油膜，能够防止润滑油外泄，对流体和润滑脂起密封作用。 除此之外，它还具有防止外部灰尘、泥土等杂质混入的作用，适用于低压油、水 类介质的功能，有时也作为低压往复螺旋杆或摇动球面使用的密封元件。径向唇 形密封具有柔性的唇口，内部有供支撑的金属骨架，依靠密封的弹簧、腰部和过 盈部分共同给旋转轴施加径向力，因其结构简单、紧凑，性能可靠，适应性较好， 它已被广泛应用于机械、化工、航天和船舶领域【l - 2 】。 最早的径向唇形密封圈是由皮革制成，第二次世界大战后由于合成橡胶的出 现，使用橡胶生产的径向唇形密封才逐渐增加。随着机械制造、车辆工程、航空、 航天、航海和核电等工业的飞速发展，对径向唇形密封提出了进一步的要求。对 密封性能的高要求进一步促进了对密封材料、结构、性能试验、质量管理和密封 机理的广泛研究，极大地提高了其密封性能和使用寿命。 上世纪6 0 年代初，国外率先研制成功具有回流效应的流体动力径向唇形密封， 使密封的技术有了大的飞跃，由此解决了密封困难部位的密封问题。它以流体动 力学原理为基础，在密封唇口刻上各种流线，这种流线的沟槽能将渗漏出的润滑 油“泵回”油腔，此外还可以适应较大的轴偏心与跳动，因此密封性能较好。对 于线速度高( 一般2 0 以以上) 的密封部位，泄漏问题比较明显，而采用具有流 体动力作用的径向唇形密封可以很好地解决这一问题。流体动力径向唇形密封在 摩擦条件苛刻、唇口生热量高和旋转轴偏心较大的工作场合中更具有其优越性， 它能明显提高密封工作可靠性，并延长其使用寿命。7 0 年代以来，流体动力径向 唇形密封在原来单一斜纹和螺纹状基础上，又发展了八字形、正弦波形、凸台形、 块状形、网交叉形和三角形等纹路。实验表明，在不同工作条件下，选择具有合 适的表面刻线形状的流体动力密封，则回油效果良好。流体动力径向唇形密封是 密封向高速发展的必然趋势和重要技术途径。 8 0 年代中期，美国又研制出聚四氟乙烯径向唇形密封和复合式外封型径向唇 重庆大学硕士学位论文 形密封，这很好地满足了新型复杂精密机械对流体密封的高要求。这类密封可以 适用于超高速、耐高温、耐低温、干摩擦和多种腐蚀性介质的场合。9 0 年代径向 唇形密封国际标准颁布实施后，各国纷纷重新制定新的符合国际要求的设计标准， 使径向唇形密封在世界范围内具有适用性和互换性。 1 1 2 分类 匪 图1 1 1 唇型密封圈安装环境示意图 f i g 1 1t h ea s s e m b l i r 培s c h e m a t i cd i a 黟a mo fl i ps e a l 图1 1 给出了径向唇形密封安装环境示意图，如图所示，唇型密封三个主要部 分为金属骨架、弹簧和橡胶唇口。目前径向唇形密封的相似结构的品种已不下2 0 0 种，但是没有一个统一的分类方法。按密封的作用、特点、结构类型、工作状态 和密封机理可以分为多种形式【3 1 。 按旋转线速度：高速密封( 一般线速度 1 7 i i l s ) ，中速密封( 一般线速度8 17 州s ) ，低速密封( 一般线速度 8 i i l s ) ； 按密封结构和原理：普通唇型密封，动力回流型唇型密封； 按工作承压高低：低压密封( 压力小于0 5 m p a ) ，高压密封( 压力大于 0 5 m p a ) 。 按密封组件：有骨架密封( 分外露骨架和内包骨架) ，无骨架密封，复合式 密封，有弹簧型密封，无弹簧型密封； 按密封唇的数量：单唇密封，复唇密封( 有防尘唇或分隔两种介质的双密 封唇等) 。 1 1 3 密封性能主要影响因素 l 绪论 图1 2 径向唇型密封结构示意图 f i g 1 1t h es n 佻t u r es c h 啪a t i cd i a g r 锄o fl i ps e a l 影响径向唇形密封的密封性能的影响因素很多，且各种因素均对密封性能影 响不一，只有准确掌握了解这些因素，设计合理的产品结构，选择恰当的材料并 正确地使用安装，确定合适的工作条件，才能得到良好的密封性能和较长的使用 寿命。图1 2 给出了径向唇形密封结构示意图，下面简单介绍各种影响因素【4 1 ： 材料影响因素：例如耐油性，压缩永久变形，耐热性，耐寒性，耐磨性， 硬度，回弹性等； 结构参数影响因素：例如唇口过盈量，唇口接触宽度，腰厚及腰长，前唇 角及后唇角，径向力，弹簧，回流线等； 工作参数的影响：例如轴速等； 径向唇形密封使用环境的影响：例如轴( 轴表面粗糙度和偏心等) ，油压， 油温安装等。 1 2 径向唇形密封的研究现状 对径向唇形密封的研究属于交叉学科，有多种因素影响，目前虽然取得了一 定的成果，但仍处于经验理论阶段。现代唇形密封理论的探索与应用起源于西方 国家。过去的数十年内，国外对于唇形密封理论的研究层出不穷，先后形成了几 个主要基于摩擦、润滑与泵汲的理论假设【5 川。 1 2 1 国外研究现状 由于唇形密封工作状态复杂，开始阶段的各项研究并没有获得太多实质性进 展，直到1 9 5 7 年，j a g g e r 【8 】进行了一系列的实验观察，并取得了重大发现。此后， 在相当长的一段时间内，h i r a i l o ，i s m w a t a ，b r i n k ，h o r v e 和k a w a l 】a r a 等【9 - 1 3 】都进 行了实验观察与研究，他们相继发现了唇口与旋转轴接触处的润滑膜、唇口切向 重庆大学硕士学位论文 变形、泵汲等重要现象，他们的工作为以后唇形密封的研究打下了坚实的基础。 m u l l e r 和n a u 等通过进一步实验研究，发现唇口压力分布位置、表面粗糙纹理、 油膜厚度、接触宽度和密封载荷等因素对唇口摩擦功耗和泵汲效应的影响。随着 计算机技术飞速发展，以后的一些工作者对于该类问题进行了大量数值模拟研究。 1 9 9 2 年，g a b e l l i 【1 4 1 5 】第一次对唇形密封与旋转轴接触处的微弹性流体动力润滑膜 进行了数值研究。此后，1 9 9 3 2 0 0 5 年，s a l 锄t 和g a b e l l i 等【1 岳捌都对此弹性流体 润滑膜进行了进一步的模拟，他们重点讨论了润滑膜的形成，以及油膜在工作过 程中的热效应，并研究了在这一工作状态下，泵汲率、泄漏量、功率损失、剪切 变形量和唇口压力分布的变化。2 0 0 6 年，h 卸锄和b o i l l l e a u 【2 3 j 探讨了2 d 和3 d 模 型唇口在模拟中的不同点与相同点，并证明唇口的热弹性流体动力润滑模型受到 粗糙度显著影响。2 0 0 9 年，c h n gw | e n a ，a n - s h i k g 【2 4 】利用c f d 软件对带 肋片的唇形密封的工作状态进行了模拟，研究了肋片附近区域的流场分布、速度 场以及密封区域的压力场分布，并将模拟所得泵汲率与实验测量值进行了对比， 结果取得了很好的一致性。 在早期研究中，由于相关密封理论不完善，大多数研究通过实验来完成，因 此实验观察为唇型密封机理的研究提供了重要帮助。 j a g g e r 【8 】首先证明了密封唇口和旋转轴之间存在润滑膜。他注意到密封干摩擦 时摩擦扭矩比用油润滑时明显要高很多。进一步实验结果表明，当增加了对轴的 径向载荷后，该润滑油膜仍然存在，随后许多其他研究人员证实了这层油膜的存 在。航b e l l i 和p o l l f 2 5 】测定了当轴速为0 0 3 5 0 3 5 m s 时的油膜厚度为2 5 5 5 i l m ， 不久以后l e e u w e n 和w r o l 蠡哦【2 6 2 7 】在相同的速度区间测定了油膜厚度为1 3 5 肛m 。 早期研究者普遍认为润滑油会通过唇口与旋转轴之间的高压润滑膜泄漏到空 气侧。然而，事实上成功的密封并不渗漏，甚至能够把润滑油从空气侧吸回密封 润滑剂的一侧，这一现象称为径向唇型密封圈的泵汲效应。k 抓曲a r a 和h o r v e 【2 阳圳 的实验表明，泵汲率会随着旋转轴速度的增加而增加，并且该泵汲效应或封闭能 力与表面粗糙度或微几何尺寸是非常相关的( 见图1 3 ) 。 h o n r e 【2 9 】研究表明，一个成功的密封，其唇口有较高的表面粗糙度，且比旋转 轴的表面粗糙度更高。但是一个新密封并没有这样高的粗糙度，需要一段时间来 磨损橡胶表面，使它变得粗糙。一般旋转轴的平均粗糙度为o 2 5 o 5 0 岬。他们 通过实验证明，粗糙度是密封关键因素：当轴表面粗糙度太低时，密封性能不佳， 过高的轴表面粗糙度会造成过度磨损，缩短密封寿命，只有在磨合运行之后具有 较高粗糙度才能保证密封性能可靠性。 4 l 绪论 ( a ) 粗糙的无泄漏密封( b ) 新的泄漏密封 图1 3 密封表面粗糙度 f i g 1 3r o u g l l l l e s so fs e a ls u f f a c e m u l l e r 【1 3 1 发现一些密封表面具有轴向延伸起伏，而其他密封显示在接触面上有 不规则的微粗糙，这一特点也对密封粗糙纹理结构的形成有巨大的影响( 如图1 4 ) 。 由于宏观密封唇口的几何尺寸设计，使得唇口下最大压力位置更接近油侧( 相比 于空气侧) ，这是通过选择合适的空气侧和油侧唇角及弹簧的位置来完成的。 ( a ) 无规律微观粗糙度( b ) 轴向延伸微观粗糙度 图1 4 微粗糙几何尺寸 f i g 1 4r 0 u g l l n e s sg e o m e 仃i e s 唇口工作温度是决定密封寿命的一个非常重要的参数。过长时间高温下工作 会导致密封老化和橡胶材料焦化，减少密封寿命。油箱温度和摩擦热也会 导致增加密封唇和旋转轴之间的高温，例如，高的油粘度、密封错位和高速导致 摩擦生热较高，造成密封寿命缩短。实验表明，如果油槽温度每下降1 4 ，密封 重庆大学硕士学位论文 件寿命可望翻倍，此外，密封接触散热和其他机械部件产生的热量也非常重要。 这解释了为什么相同密封件，在对同一旋转轴上不同的位置，密封性能可能会出 现较大差异1 3 0 。3 1 j 。 在已有实验观察基础上，相继提出了基于微观润滑、摩擦和泵汲的理论来解 释唇型密封的密封原理，分别是：表面张力理论、微弹流润滑理论、非牛顿流体 理论、泵汲效应理论四个方面。 表面张力和接触角理论 j a g g 一8 】在表面效应基础上提出一个理论来解释密封作用。他在试验中测量密 封泄漏量，研究密封件空气侧润滑剂的半月面分布是密封机理的可能性，因为这 个半月面是一个润滑界面表面张力的结果。j a g g e r 和删l a c e 在以后的研究中p 引， 还讨论了润滑剂、空气和密封之间的接触角，他们认为这些观察现象也适用于油 和空气界面。在以后的研究中，他再次得出结论认为，半月面的形成可以解释密 封的作用。 贼a k o v i c s 【3 3 】试图用理论分析来解释表面张力效应。他计算了密封间隙中毛细 管力，毛细管力由表面张力、接触角和密封间隙高度共同作用决定。他认为，流 体粘度和接触宽度与密封能力无关，因为它们对毛细管力没有促进作用。m u l l e r 和h o n ，e 【1 3 】的结果表明，试磨损后的流体粘度和间隙宽度对于密封性能非常重要。 r a i a k o v i c s ，j a g g e r 和w 甜1 a c e f 3 2 3 3 】对比了新密封与磨损之后密封的性能，但是他们 无法解释新旧密封之间的密封性能差异。 s t a 】( e 1 ：1 b u r g 【3 1 】观察了密封唇下的湿润区域，通过一个密封固定而轴旋转的实验 装置来实现。他区分了润滑油侧接触区域、湿润区域，以及空气侧湿润区域。在 静态条件下，由于毛细管力作用，在空气侧湿润面积远远高于润滑油侧面积。对 于旋转密封，由于密封泵汲作用，空气侧湿润区域将变小。稳定状态下，密封泵 汲行为和毛细力会有一个平衡，转速提高后将最终导致接触区域发生空化现象。 微弹流润滑 h i r a i l o 和i 妯w 她【9 】提出一个新理论，他们认为表面粗糙的旋转轴和表面光滑 密封之间的微流体润滑是润滑与密封的机理。他们把薄膜轴承理论应用在微观尺 度上，同时考虑到轴的表面粗糙度效应。他们观察到，当表面粗糙图案相对于光 滑弹性密封表面移动时，将建立起一个流体动力薄膜。j a g g e r 和w m k e r l 3 4 】发现， 密封面实际上比旋转轴表面更粗糙。h 锄i l t o n 【3 5 】等人进行了实验和理论分析研究， 并证实通过这个微流体动力润滑理论可以得到支撑载荷。他们制作了具有不同微 观尺寸的表面，并用雷诺方程进行模拟。 l9 9 2 年，g a b e l l i 和p o l l f l 4 】等通过数值模拟方法模拟了两平行粗糙表面、密封 和轴之间润滑油膜的形成，在他们的模型中，支撑载荷是由流体动力压力和微粗 6 1 绪论 糙接触支持的。g a b e l l i 【1 5 】等研究表明，他们的模型是一种有效的工具，可以用于 评估表面粗糙度对径向唇形密封圈润滑的影响，他们也考虑到了橡胶唇的粘弹性 对润滑油膜内压力的影响。 s a l a n t ，g 抽e l l i 和p o l l 【l 睨2 】等发表了一系列包括微粗糙变形和密封唇口变形的 文章，他们认为，微观粗糙度具有周期性，通过给予定期正弦函数来表示。s m 和 s a l a n t i l7 j 使用更为现实的半随机表面粗糙度的几何形状，它们生成的表面由随机指 定的平均粗糙度、相关长度、和高斯分布组成。他们假设旋转轴完全光滑，同时 密封唇口完全塑性变形，随机模型的计算结果与现有研究成果一致。h 萄j 锄f 3 6 0 刀 等研究考虑粗糙度和有空化时各参数对相关唇口功耗、油膜厚度和油温的变化关 系，分析了唇口生热量对密封性能的影响。 非牛顿流体行为 在非牛顿流体中，流体粘度是剪切率的函数，高剪切率也会产生一个垂直于 剪切方向的压力。由于这个垂直压力，非牛顿流体有流向剪切力最高位置的趋势。 s c l n d z 【6 j 等假设牛顿流体在薄膜里以非牛顿的方式表现，它具有高剪切率，达 到1 0 b s 。s c h u k 通过实验以显示在薄油膜里面的非牛顿流体的重要性，他们比较 了两种流体，一个牛顿流体和一个非牛顿流体。通过选择适当温度获得了相等的 粘度。实验中，非牛顿流体在稳定状态下显示出低摩擦扭矩值，因此他们认为， 较低的摩擦是由非牛顿流体特性造成的。w i e l l l e r 和w 0 l l e n 【3 “o 】研究使用聚合物 添加剂，以提高唇下非牛顿润滑剂行为，来减少摩擦。h 蛳锄和b o i m i e a u 【4 l 】通过 假设粘度是一个剪切率的函数，得到了与非牛顿流体类似的摩擦降低的结果。他 们对非牛顿流体用了g e c i i i l 定律，以此证明摩擦降低是由于剪切力变弱，同时粘 度降低也减少了薄膜的厚度，因此产生泄漏。 泵汲效应 微弹流润滑( 微弹流) 理论能够解释密封微观粗糙和旋转轴之间油膜的形成 和载荷支持机理，但没有完全解释清楚密封泵汲效应和密封原理，在后续研究中 为了解释泵汲效应与密封原理，做了大量的工作。泵汲效应经过多年发展，已经 可以很好的解释径向唇形密封的密封行为，目前已被广泛地接受。 m u l l e r 提出了“梯级泵站侧流概念”来解释泵汲效应【1 3 】，如图1 5 所示。这个 理论包括微弹流润滑，并说明了润滑和密封的泵汲机制。在工作过程中，密封接 触面积上的微观粗糙将发生弹性变形，在唇下接触压力的作用下，密封唇口突出 部分将变平坦。由于弹簧位置关系以及唇角仅和口不相等，这个唇下接触压力非 对称分布。他们将唇口接触圆周上最大压力线称为压力赤道，这种表面光滑轴的 微粗糙痕迹在这个压力赤道附近最多。当轴旋转时，在微观粗糙弹性变形和旋转 重庆大学硕士学位论文 图1 5 梯级泵站侧流概念 f i g 1 5t h e c a s c a d ep u m p i n gs i d en o wc o n c e p t 轴之间将建立起微弹流润滑膜，以提供承载能力。但是，润滑剂不会沿着接触面 流通，而是沿着微观粗糙两侧流动，而且润滑剂在两侧的流动与压力梯度相反。 在空气侧，压力梯度较低，微粗糙变形部分较少，流动阻力比油侧大，因此泵汲 产生的净流量从空气侧流向油侧。 图1 6 切向变形和泵汲效果 f i g 1 6t 觚g e n t i a ld e f b 肌a t i o n sa n dp u m p i n g e 行e c t k u z i l l a 【4 2 】提出非对称切向变形理论，即由于粘性剪切力导致的密封面切向变 形( 见图1 6 ) 。他认为该理论可以应用于径向唇形密封圈。k a m m u l l e r 【4 3 j 把这个切 向变形形象化，并把他测得的泵汲率和观测到的表面粗糙度纹理结构相关联，在 测试时，他观察到轴向延伸起伏。当轴旋转时，最高粘性摩擦力将出现在接触压 力最高的地方，即压力赤道处，粘性摩擦力最高，密封将产生切向变形，轴向扩 展起伏会形成一个v 字形，像一个不对称螺旋槽轴承，并将润滑剂“泵回”到接 尽妖需毒睾霹 1 绪论 触处的中心。由于非对称槽螺旋纹模式，压力赤道接近润滑油侧，将产生一个从 空气侧到润滑油侧的净流量。k a m m u u e r 把油侧唇角和空气侧唇角的几何形状与密 封的密封性能相关联。他从测量中得出角度的重要性，并认为这是产生泵汲所需 要的非对称切向变形，当这个泵汲率比自然泄漏更高时，密封将工作良好。 t 0 n d e r 和s a l a “1 6 j 通过数值模拟，研究了这个非对称沟槽纹理结构和密封区域 润滑油流动情况。他们的结果表明，当油粘度、速度和密封唇口宽度增加时，泄 漏将减少，这将最终完全抑制泄漏。他们还用轴向扩展起伏模式对唇口表面的参 数进行参数化研究，结果表明，假定的非对称切向变形理论在现实条件下能够产 生一个无泄漏情况。 s a l a n t 和f l a l l e n ) r 1 2 0 】研究了在不同密封表面粗糙度类型的组合时非对称切向变 形：轴向延伸起伏和不同密度微粗糙。其数值模型清楚地显示出轴向延伸起伏下 产生的泵汲率最高，而且得到了足够载荷支持。结果表明，泵汲率非常依赖于微 观粗糙形状、密度和方向，微粗糙之间的横流，与轴向延伸起伏相比可能降低其 泵汲效果。 b a v e l 川l 等进行的研究与s a l 觚t 和f 1 a h e n y 【2 0 】的非常相似。他们模拟了轴向延 伸起伏和微粗糙表面的几何形状。结果表明，无切向变形时会产生负泵汲率，即 泄漏发生。当考虑切向变形时，计算的径向载荷和泵汲率与实验数据更加一致。 然后他们评估了包括切向变形时微粗糙表面几何形状，在他们的研究中称为二维 粗糙结构，并发现了泵汲速度、负载能力和摩擦的实际值。 s a l a n t 和i b c k e ，r o c k e 和s a l a n t 【2 1 啦! 等研究表明，如果变形最高点位于更靠 近润滑油侧位置，泵汲率会急剧上升。这意味着最大径向压力点应该移向油侧， 可通过设计润滑油侧角度仅远远大于空气侧角度侈来实现。 还有一些研究中提出用涡旋理论来解释泵汲效应，该理论认为即使在不利条 件或形成比较大间隙下，径向唇形密封圈也可以实现无泄漏工作。m u l l e r 和o t t 【4 5 j 用二次油流的形成，说明了这个动态密封机制，被称为g 0 r t l 盼- t h y l o r 涡流。他们 的实验表明，一个固定有机玻璃套密封( 比旋转轴的外径略大) ，能够在足够高轴 速下密封间隙，这一转速被称为“密封速度”。当速度比密封速度小时，泄漏率随 间隙的增加而增加。在他们的实验中，旋转轴附近充满油，流体组分径向指向内 侧并且清晰可见，靠近密封间隙侧的油流，转向旋转轴离开密封，因此油与空气 侧半月面被拉到接近油池的地方。 q u 【拍】等研究与m u l l e r 和o t t 【4 5 】的测量非常相似。他指出，随着旋转轴速提高， 泄漏量不断降低。密封速度只发生在关键泰勒数情况下，此时油压，油粘度和负 涡旋压力达到动态平衡。动态密封随着速度提高将持续，直到达到一个轴转速， 在其附近的间隙的旋转流动变为湍流。如果在发生湍流之前时，此密封速度没有 重庆大学硕士学位论文 达到，动态密封永远不会发生。 m u l l e r 和o n 【4 5 】认为，密封速度对于间隙宽度来说具有独立性，这意味着润滑 油会在轴具有某个速度时达到自我密封，甚至当密封间隙宽度是几毫米时也会发 生。q u 【4 6 】在他的研究中表明，最低密封速度与间隙高度相关。m u l l e r 、0 仳和q u 即j 的实验表明，即使有一个相对较大间隙，只要工作参数慎重选择，密封仍然可以 正常工作。 这四个假设中，早先在“微弹流润滑”理论基础上发展而来的“泵汲效应 理论经过多年研究，已经比较成熟。泵汲效应既能够解释润滑膜具有支承载荷的 原因，又能够很好地解释为什么润滑油不泄漏，目前已被广泛接受。在后续的研 究中，许多工作者在泵汲效应的基础上也同时对唇口的热效应进行了分析研究， 其中s a l 雒t 、h 萄j 锄和m u l l e r 【1 9 彩 3 7 】等重点讨论了影响唇口功耗、密封生热机理、 散热机理和失效问题。对生热效应和泵汲效应的广泛研究，为进一步研究密封性 能的影响因素提供了理论基础。 1 2 2 国内研究现状 我国对于这一领域的研究起步较晚，相对于西方国家而言，存在理念滞后、 创新不足的问题。2 0 世纪5 0 年代左右，我国的摩擦学研究硕果寥寥，还基本处于 空白。4 0 年代初，钱伟长先生发表了我国最早此类研究的文章，他采用摄动法求 得考虑润滑油粘温效应的无限长滑块流体动压润滑解析解，并领先了国外同类研 究近1 0 年。随后，在5 0 年代初【4 8 】雷天觉先生在虹江机器厂( 上海机床厂前身) 研制 成功可倾瓦磨床主轴轴承，其性能达到国外先进水平。从摩擦学的角度看，流动 与传热都是影响摩擦非常重要的因素。国内对摩擦副的流动与传热问题研究相对 较多，而缺乏对径向唇形密封流动传热问题的研究。国内径向唇形密封的应用还 会面对一些新的问题，如由于国内加工精度和道路条件带来的影响，径向唇形密 封工作时出现动、静偏心量都极大地影响了径向唇形密封正常工作，这一点在重 型汽车径向唇形密封上体现尤为突出，因此对偏心量的影响值得研究。我国对径 向唇形密封的研究远远落后于国外，主要是相应的生产企业少、研究人员少，对 新型径向唇形密封流动传热与泵汲问题的研究更是风毛麟角，值得深入研究。 谭晶和周华【4 9 】以密封的表面效应和结构效应为基础，利用有限元方法分析了 反旋段三1 和正旋段三2 的差值( 址) 和转速对流场、速度场和泵汲率的影响。谭 晶和杨卫民【5 0 】利用有限元软件分析了不同参数对唇形密封v o nm i s e s 应力、接触宽 度和最大接触压力分布的影响。他们研究的影响因素包括：有弹簧和无弹簧状态， 不同安装过盈量、腰部厚度、三值( 密封圈唇口平面到弹簧槽中心平面的水平距离) 和唇前角等变化情况。 李建国和丁玉梅f 5 0 捌1 等做了与谭晶类似的模拟，他们也将唇形密封i 绺莨面效 1 0 l 绪论 应和结构效应作为动密封机理，借助大型的有限元软件a n s y s c f x 建立唇形密 封的二维轴对称有限元模型，对密封间隙中的密封介质流动做了模拟。他们模拟 的结果与实验结果达到了较好的吻合效果，论证了了利用有限元方法来研究超薄 液膜流动的可行性。 王宝森和杨伟民【5 2 1 利用有限元软件建立唇型密封的二维轴对称模型，计算分 析不同过盈量、三值、弹簧劲度以及后唇角口对密封唇口压力大小及分布的影响。 他们的分析结果对产品设计和选择有一定的实际意义，为进一步产品设计和结构 优化提供了理论基础。 马怀琳1 5 3 j 分析了影响密封性能的主要参数，认为由于旋转轴的高速旋转，密 封唇口与轴表面之间存在高速摩擦，这将使得密封唇口处温度升高，而唇口温升 与唇口径向力、轴表面线速度、密封胶料摩擦系数有关。王景林、韩丛英【5 4 】等人 用n e 埘o n 插值法和曲线拟合法，并通过m a t l a b 程序运算得到了唇形密封的唇 口的曲线方程。 陈国定1 5 5 】等人，利用大型有限元软件m a r d 团n 曰门r 3 2 0 研究了静态接触条 件下表面粗糙纹理结构对密封摩擦副的接触性态的影响，揭示了表面粗糙形貌参 数对磨损寿命和摩擦功耗等影响规律，得到p t f e 密封件与密封系统中硬对偶件与 静态不同的接触性态，此时密封件材料位移量较小，当量v o nm i s e s 应力却略有增 加。 杜华太【5 6 】等分析了结构参数和材料特性对密封性能的影响。材料特性主要包 括耐磨性、耐热性和胶料性能等方面，结构参数包括过盈量、唇口接触宽度、两 侧唇角、腰长与腰厚和回流线等方面。目前径向唇形密封的橡胶材料主要是丁腈 橡胶、氟橡胶和丙烯酸酯橡胶。其中丁腈橡胶具有耐油性能优异的特点，工作温 度2 5 1 3 0 ；氟橡胶耐油和高温性能良好，工作温度为5 3 0 0 ；丙烯酸酯橡 胶的耐热和耐油综合性能比丁腈橡胶优异，工作温度为2 0 1 5 0 。高速旋转的径 向唇形密封与轴表面摩擦生热，使唇口温度急剧上升，一般密封唇口部位温度比 润滑油要高3 0 4 0 。 邹德广和杜华太【5 7 】总结了一系列在动态接触条件下影响唇形密封工作性能 的因素，例如耐磨性、耐油性、接触宽度、两侧唇角、唇口压力分布、腰部厚度 与长度、唇口收缩率和回流线等参数。 张佳佳【5 8 巧9 】等利用数值模拟研究了不同转速、唇角和接触宽度下，油侧和空 气侧的温度分布，以及摩擦面的温度分布情况；苏晓燕等唧】以唇型密封的微观往 复运动为基础，忽略微观粗糙度和抱轴力与唇口形变量之间的应变关系，建立简 化的二维密封模型，推导得到泵汲率计算表达式，并分析转速、油膜厚度、两侧 唇角、接触宽度和轴径对泵汲率的影响。 重庆大学硕士学位论文 周洋、刘煜等【6 1 1 通过径向唇形密封试验机对不同规格径向唇形密封密封圈进 行相关实验，测量摩擦扭矩、腔体温度、泵汲量等参数，计算出摩擦力、泵汲率 并分析摩擦力、腔体温度及泵汲率的变化特点。结果表明，随着油封规格的增大， 泵汲率呈现出上升的趋势；对于新安装的油封，在轴速为2 0 0 0 r m 洫的条件下，运 行1 h 左右才会显现出泵汲效应。 1 3 课题研究的背景和意义 首先，随着工业技术的发展，许多机械产品对橡胶密封件的要求越来越苛刻， 主要包括：使用温度范围更广，高温、低温方面均突破现有工况极限；高速化、 高压化；技术性介质及添加剂越来越复杂，对密封材料的腐蚀性更强；需要高真 空密封；高纯度要求；恒定摩擦系数密封系统。 其次，资源危机和环保法规要求越来越严格，这对密封技术提出更高要求。 国外对逃逸到环境中的化学物质进行了严格限制，比如允许通过轴泵密封处泄漏 至环境中的物质最低要求2 5 2 4 9 l l ；对环境有较大伤害的物质，要求泄漏量必须 低于o 5 蚰。利用先进的摩擦与润滑理念，降低摩损和泄漏，可以实现“节能减排” 的标。 再者，唇形密封的工作除了以流体力学为基础，还涉及诸如润滑、摩擦、磨 损、传热、材料性质、工程热物理、机械设计等，处于一个多学科交叉领域。而 国内对于唇型密封的密封性能研究相当缺乏。对密封性能有重要影响的因素为唇 口生热效应和泵汲效应，如果能够在弄清径向唇形密封的密封机理基础上了解到 各参数对密封性能的影响，以及密封失效原因，需要通过进一步研究来提供理论 依据，从而为径向唇形密封的设计提供参考。 1 4 课题的研究内容 目前国内外对径向唇形密封的研究主要着眼于密封内流场、压力场、速度场、 温度场的分布、流体弹性润滑膜( e h l ) 油膜厚度、微观粗糙度、表面空化现象、 功耗和泵汲效应。本文将通过理论分析与数值模拟重点研究诸参数对生热效应和 泵汲效应的影响，从而分析对密封性能影响的主要因素。 本次研究中假设条件： 1 ) 忽略润滑膜沿膜厚方向的不均匀性，即油膜厚度沿垂直轴表面方向不发生 变化； 2 ) 忽略唇口和旋转轴表面微观粗糙度的密度与方向的影响； 3 ) 忽略润滑油粘度随温度的影响； 4 ) 考虑旋转轴与密封偏心影响，即相对微观往复运动； 1 2 l 绪论 5 ) 考虑抱轴力与唇口形变量之间的应变关系。 本课题主要研究内容： 1 ) 建立简化的密封二维模型，假设唇口压力分布近似三角形，推导出唇口生 热量和泵汲率计算表达式，并分析抱轴力、转速、轴径、材料杨氏模量、两侧唇 角和唇口厚度对密封性能的影响； 2 ) 建立简化的密封二维模型，利用c f d