（机械设计及理论专业论文）基于ansys的油封唇口接触压力的有限元分析.pdf

北京化工大学硕士研究生学位论文 基于a n s y s 的油封唇口接触压力的有限元分析 摘要 本文主要基于a n s y s 软件非线性分析技术，采用二维实体单元和 接触单元，建立了油封的二维轴对称有限元模型，并在其基础上对油 封的一系列结构参数和其它参数对油封唇口接触压力的影响进行了模 拟。并从分析中总结出了油封唇口接触压力随各个参数的变化规律。 ( 1 ) 随着唇口接触宽度的增大，油封唇口最大接触压力和前后角 接触宽度缓慢减小。 ( 2 ) 随着后唇角的不断增大，唇口接触宽度不断减小，接触压力 不断增大。 ( 3 ) 随着安装过盈量的增大，油封唇口接触宽度不断增加，唇口 最大接触压力先是有所增加，后逐渐趋于一定值。 ( 4 ) 随着油封弹簧劲度的加强，油封唇口最大接触压力和接触宽 度都先是有较明显的增加，后增幅变小，并逐渐趋于定值。 ( 5 ) 随着密封腔内压力的增大，油封变形逐渐增大，直至失稳。 在没有失稳之前，油封唇口接触宽度随油封内腔压力有明显增大，而 最大接触压力先是不断增大，后由于接触宽度增大的缘故，最大接触 压力开始减小。 根据分析取得的结果的合理性，可知本文所用分析方法的正确性 和有效性。该方法可以用于油封结构设计以及选型的数字模拟，从而 北京化工大学硕士研究生学位论文 实现油封设计及选型由经验设计到数字模拟设计的转化。本文的分析 方法和取得的结果为油封结构的优化设计和油封寿命的计算奠定了基 础。 关键词：油封，a n s y s ，非线性，唇口接触压力，有限元分析 h 北京化工大学硕士研究生学位论文 a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h ep r e s u r e o nt h et i po fo i ls e a lb a s e do n a n s y s a b s t r a c t a n s y sw a s 砸l i z e dt oe s t a b l i s h 也et w 伽d i m e n s i o n a la x i s y m m e 矗c f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fo i ls e a l s o m cf a c t o r si n f l u c n c i n gt h ev a l u e 雒d d i s t r i b u t i n go ft h ec o n t a c tp f e s s u r ew e r et a k mi n t oa c c o u n t ，s u c ha sw i d t h o fc o n t a c tf i e l di nt 1 1 e o r ) v a l u eo f i n t c r f e r e n c c ，i n t e 硒i t yo ft h es p r i n gu s e d f o rt h eo i ls e a ，m ev a l u eo ft 1 1 ec o m e ro nt h es i d eo fa i r a n dt h ei n n e r p r c s s u r co f 恤ea 衄【u l a rs e a ls p a c e s o m el a w sa b o u tt 1 1 ei n n u e n c eo ft l l e f a c t o r so nm ev a l u e 锄dd i s t r i b u t i n go ft h ec o n t a c tp r e s s u f ea r es h o w n b e l o w f i r s t l 弘t h em a ) 【c o n t a c tp r e s s u r ea n dt h ew i d mo ft h ec o n t a c tf i e l do n t l l ea i rs i d eh a sas l o w l yr c d u c ea l o n g 诵t ht h ei n c r e a s eo f t l l ec o n t a c tw i d t h i n 也e o 够 s e c o n d i 甄t h ew i d mo f 也ec o n t a c t 矗e l do nt h ea i rs i d eh a sar a p i d l y r e d u c t i o na n dt h em a xc o n t a c tp r e s s u r eh a sb e c o m e1 a 玛c r 、：h e nt h ec o m e r o nt 1 1 ea i rs i d ei n c r e a s e m t h i r d l y ，a l o n gw 弛m ei n c r 铋s eo f 龇i n t 耐c 咄c e 也ew i d t ho f 也e c o n t a c tf i e l do n 也ea i rs i d ek = c o m el a r g e r ，b u tt h cm a x c o n t a c tp r e s s u r e i n c r e a s ef i l 哦趾dt h e nc o m et oac o n s t a mv 山e f o u r t h l y a l o n g 谢mt h ei n c r 鼯s eo ft h es p r i n gi n t e n s i 魄t l l em a x c o n t a c tp r e s s u r ea i l dw i d t ho fm ec o n t a c tf i e l do nt h ea i rs i d eh a sac l e a r i n c r e a s ea tf i r s t ，a n d 也e n 也ei n c r e a s er a t eb e c o m es m a l l e r ，a n d 砒l a s tt 0 z e r o f i n a l l ma l o n gw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ei n n e rp r e s s i l r e 也ed e f o 衄a t i o no f t h eo i ls 髓l b e c o m cl 鹕e r ，缸da tl a s tt 0b f e a k b e f b r em eb r e a l 【，廿l ew i d t h o ft 1 1 ec o n t a c tf i e l do n 也ea i rs i d eh a sag r c a ti n c r e 鹪e ，b u tt h em a xc o n t a c t p r e s s u r ei n c r e a s ea tf i r s ta n d 也e n b e c o m es m a l l c rd u et ot h ei n c r e a s eo f t l l e c o n t a c t 、v i d t h 1 1 1 cr a t i o n a l i t yo ft h ea n a l y s i sr e s u hs h o w st h a tm er e s e a r c hm e t h o di s r a t i o n a l i 哆a n d 啦m s oi t c a nb eu s e di nt h ed i g i t a ls i m u l a t i o no fm e d e s i g na n dc h o i c eo fo i ls 喊，a n dm a k ea 孕e a tp r o g r e s so ft h ec h a n g i n g b e t w e e n 也ee ) 【p e r i e n c ed 镐i g n 缸md i g i t a ls i m u l a ：t i o n a n a l y s i sr e s u l ta n d t h em e 血0 dh a sb e e nu s e da _ i s 0s 甜l e saf o u n d a t i o nf o rf i l r m e ro p t i m u m d e s i g na 1 1 dc o u mo f 也el 衄g e v i 批 k e yw o r d s ：o i ls e a l ，a n s y s ，n o n - l i n e 甄c o n t a c tp r e s s u r eo nt h el i p o f t l l eo i ls e a l - f e a 北京化工大学位论文原创性声明 y 8 8 2 2 3 8 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：址健挞 日期：碰：i ( ：圭 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属北京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文 的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：抬銎瓤日期：勰 。 。王 导师签名： 4 9 缸日期：碰。：巨 第一章绪论 1 1 油封发展的历史、现况及展望m 2 蝴 1 1 1 引言 机械设备能否正常运转性能可否良好发挥，是与密封结构的设计、密封元件 密封性能的好坏息息相关的。如果密封失效，那么工作介质或润滑液的泄漏所造成 的损失是十分惊人的。既增加机器的摩擦、磨损与功率消耗，缩短机器的工作寿命， 也会园泄漏而造成环境的污染，腐蚀设备和工作环境。更严重的还会因此而失火爆 炸引发人身、设备的安全事故。据报道1 9 8 6 年挑战者号航天飞机解体就是由于弹 性体0 形密封圈的接头设计缺陷引起的。所以，开展对密封技术的研究已是当前技 术工作中的重点攻关项目之一，对密封的机理以及新结构、新材料、新工艺的研究 和设计。已成为满足现代化建设中各个技术领域发展的迫切需要。油封闲其结构 简单、紧凑，性能可靠，并且有广泛的适应性，而成为最常用的密封件之。 1 1 2 油封的发展历史 油封是1 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。早期油封是用皮革定 型而成，二次世界大战后合成橡胶生产的油封使用量逐渐增加，特别是近二三十 年来，由于机械制造、车辆、航空、航天等工业的飞速发展，对油封提出了耐高 低温、耐高压、耐特殊介质，适应高速、震动和延长使用寿命等一系列苛刻的耍 求，从而促进了油封的材料、结构、性能试验、质量控制手段和密封机理等广泛 深入的研究，大大提高了油封的密封性能和使用寿命。6 0 年代初凼外研制成功有 回流效应的流体动力油封，使油封的技术有了大的飞跃，使一些十分困难的密封 部位的密封问题获得了解决。8 0 年代美国又审q 造出聚四氟乙烯油封，它不仅适用 于超高速，而且耐高低温、耐多种腐蚀性介质，并适用于有干摩擦的场合。8 0 年 代油封国际标准的颁枷实施，更使油封在世界范膈内具有适用性、互换性，各个 国家纷纷参照国际标准重新制定新的国家标难。 幽家纷纷参照国际标准重新制定新的园家标难。 北京化t 人学碳i ：研究生学位论文 我国在油封研究方面起步较晚，尽管近十几年来有了长足的进展，但与国际 水平相比，在产品结构设计、橡胶配合技术、生产工艺、生产装备、模具加工、 质量控制手段上还有很大的差距。目前我国油封的生产，大多分布在条件比较简 陋的小企业。落后的生产工艺和装备，加之思想上对油封的高技术含量与高精密 性缺乏足够的认识，在技术上对性能要求的复杂性和工艺加工的严格性估计不足， 加上资会的投入力度不足，导致我国油封质量差、密封性能不可靠、使用寿命短。 大部分生产厂家的生产水平仅停留在国外五六十年代的水平。我国的大部分高性 能油封，主要依赖于进口。另一方面，由于油封的质量不高，也影响了我国机械 产品在国际市场上的竞争力。因此，油封在整个机械行业中虽占的比重不大，但 它却是橡胶行业中服务面广、影响面宽、社会经济效益巨大，对国民经济发展有 重要作用的一类精密橡胶制品，其发展理应受到高度重视。 1 1 3 油封发展现状及趋势 下面从8 个方面对国际上油封生产现状及发展趋势作简要介绍，并比较提出我 国在各个方面存在的差距。 1 1 3 1 油封材料 油封由于使用条件苛刻，决定了对橡胶材料要求苛刻，目前使用的油封材料， 除普通场合采用n b r 外，氟橡胶、丙烯酸橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、氢化丁腈橡胶、 聚四氟乙烯等特种材料被广泛采用。国外币积极致力于通过改善合成工艺和后处 理技术大幅度提高已有的品种质量，通过化学改性生产特殊性能的橡胶。合成各 种性能的生胶满足不同的使用要求。国际上一些大的油封公司，为提高产品质量， 已经建成了自己的特种橡胶的生产工厂。而我国在胶种、品牌上的研究相对较少， 大多数生胶仍依赖于进口。 1 1 3 2 胶料配合技术 对于配方的研究，除选择合适的生胶外，新助剂、新的无机填料已大量运用于 配方中。为了改善胶料的工艺性能、改善产品的外观质量，近几年来国外开发了大 量的加工助荆，以满足工艺性能要求。新的无机填料的应用，改善了胶料物理性能， 降低了胶料成本，使油封的动态性能得以改善。国外在配合技术的研究上特别注重 油封唇口材料与轴的表面接触状态，有了一个技术上的飞跃，而我国的配合技术 多数仍停留在国外六七十年代水平。 2 北京化t 人学硕i ：研究生学位论文 1 1 3 3 油封结构 国外一般采用外露、半外露骨架油封。这类油封定位准确、同轴度高、安装 强度高，耐热性好、摩擦生热少，在压力和震动作用下稳定，节省了胶料，因而有 较长的使用寿命和可靠的密封性能。在国外，这种骨架油封的产量约占油封总产量 的7 晰而我国仅少数的企业能生产这种油封，大部分小企业仍生产内包骨架油 封。另外，各种流体动力油封也是目前油封的发展趋势。它是在密封唇刻有各种流 线，根据流体动力学原理设计，其沟槽能将渗漏出的油“泵回”油腔，密封性能高， 可适应较大的轴偏心。对于线速度高( 2 嘶，s 以上) 的密封部位，采用流体动力油封 能使泄漏问题得到有效的解决。对于摩擦条件苛刻、生热大、轴偏心大的工作场 合，流体动力油封更能显示其优越性。流体动力油封能提高工作可靠性，延长其使 用寿命。例如：前苏联采用流体动力油封使丁腈橡胶油封的使用寿命由1o o o h 提 高到3 0 0 0 h ，氟胶油封可在2 0 0 温度下工作60 0 0 80 0 0 h 。近十年以来，流体动 力油封又由原来的斜纹、螺纹状发展到现在的“八字形”、正弦波形、凸台形、块状 形、网交叉形、三角形等等。根据不同的工作条件，选择不同的形状，可达到良好 的回油效果。流体动力油封是高速油封发展的必然趋势和重要技术途径。目前国 内大部分厂家生产的这种油封，由于回油线的结构参数选取还掌握不好加工技 术水平落后，导致使用效果不好。 近几年来，国外研制出了聚四氟乙烯油封、复合式外封型油封聚四氟乙烯油 封适用于高低温、腐蚀性介质、干摩擦等特殊场合复合式外封型油封适用于工况 条件恶劣的场合，这两种油封国内尚处于开发阶段。另外，在油封结构设计上，国 外已采用有限元分析设计，而国内尚未开展此项工作。 1 1 3 4 油封的后处理技术 将油封进行化学、物理等表面处理是目前油封技术发展的又一趋势。它是提 高油封的可靠性、延长使用寿命、克服橡胶某些固有性能不足的有效技术途径。 ( 1 ) 热处理：即二次硫化。国外的研究表明，在中性介质、热空气中，对氟橡 胶、丙烯酸酯橡胶、硅橡胶等油封进行热处理，可稳定其物理力学性能、破坏不稳 定的交联结构，消除模压硫化产生的内应力，降低压缩永久变形，提高使用寿命。 ( 2 ) 表面处理：在油封的唇部贴聚四氟乙烯薄膜，可提高油封耐介质、耐高温、 耐磨等性能，降低摩擦生热。 ( 3 ) 涂覆防护涂层、溴化处理：可使油封耐热氧老化、耐介质性能提高。 以上技术国外已应用于生产，而国内除二次硫化技术外，其它工作仅有部分 厂家刚刚起步。 北京化t 大学碗l ：硼究生学位论文 1 1 3 5 油封生产工艺 目前，国外的橡胶油封生产工艺正向自动化、半自动化、高效节能的方向发展。 我国油封行业从整体来说，生产工艺大多处于国外六七十年代初水平，设备陈旧、 工艺落后远远落后于发达国家。 目前国外广泛采用以下的先进生产工艺及装备。 f 1 1 混炼：国外已广泛采用密炼机制造胶料。自动称量配炼、自动投料、自动 混炼及排胶，生产效率高，炼胶质量好。 ( 2 ) 半成品制造：精密预成型机是国外普遍采用的半成品制造机械。其特点是 半成品重量精确，几何形状规整，生产效率高，节约胶料，产品合格率高，也是有 效地实现高温快速模压硫化工艺的一个必要手段。国内也有一些厂家引进该设备， 但大多数厂家仍采用切条机和手工裁剪半成品。 ( 3 ) 高效硫化工艺及装备：国外硫化工艺和装备的发展主要是高温( 1 8 0 2 0 0 或更高) ，短时间( 1 2 mi n ) 硫化。为此，全自动抽真空硫化机、注射机被广 泛使用，使各操作单元机械化、自动化，缩短了操作时间，提高了设备利用率和劳动 生产率。同时，可严格控制硫化工艺条件，保证产品内外质量均一性，提高产品合 格率。 ( 4 ) 骨架表面处理：国外一般采用全自动磷化处理( 防锈工艺) 工艺，工艺过 程可得到严格控制。 ( 5 ) 新结构模具：目前，国外已普遍采用撕边模具。模具安装于模板上，可自 动启模，产品自动脱模，胶边可用手撕除。 ( 6 ) 去边工序机械化。 1 1 3 6 测试方法及仪器 油封的性能测试有其独特之处。国外除发展自动化、半自动化胶料性能测试 仪器外，还特别重视反映胶料工艺性能、密封制品使用性能的测试方法及仪器的研 究工作。例如除了反映胶料混炼、模压等工艺性能的加工测定仪。反映使用性能的 启动摩擦、动摩擦数、摩擦扭矩、唇口升温、泄漏时间和泄漏量等的性能试验仪 和产品性能模拟试验台外，反映油封密封性能唇口张力测定仪，流体动力油封回 流效应观测仪等等。国外十分重视油封的成品质量控制，普遍采用微型硬度计检测 成品硬度，用径向力测定仪控制油封的径向力，用唇口张开压力测定仪检测油封 唇口的微小缺陷。制定了国际标准以控制油封旋转试验时的漏油量发展了屏幕显 示电子计算机控制、屏幕对话的尺寸和断面自动计量仪。但国内大多数厂家的试 验手段仍很落后。还没有办法对油封大规模的进行成品微泄检验。从而也就没法 保证大批量生产产品的质量稳定性。 北京化t 人学硕| f 究生学位避宴 1 1 3 7 技术标准 我国橡胶密封制品的现行技术标准与国际先进标准有一定的差距。它是产品 质量的基准，开发新材料、新产品也应以国际标准或国外先进标准为起点。 1 1 3 8 规模化、专业化生产 国外油封专业化生产程度很高。如德国弗朗登贝格公司、r 本n o k 公司是专 业化生产油封的跨国集团。专业化生产便于采用各类高效工艺装各，便于加强内部 配套能力和提高市场竞争能力便于组织新产品、新工艺丌发研究等等。专业化、 规模化生产程度不高是我国油封质量不高，技术、经济效益差的一个重要原因。目 前我国的油封生产企业规模小，地域分散，各自为战，很难参与国际上的竞争。 在此情况下业内人士对我国油封技术发展的趋势做出了如下归纳：a 、以国际 先进标准为依据，结合国情，使材料和产品结构系列化和标准化；b 、主要测试技 术和主要生产装备要自动化；c 、对于引进的先进技术和装备要尽快消化吸收并有 所创新；d 、要使各种数据和信息处理自动化；e 、生产组织上要逐步实现专业化； f 、对技术开发工作要以国外当代先进技术水平为目标，对材料、结构、工艺及装 备、性能测试、技术标准等综合进行开发研究，使技术成果早只商品化【5 】。 1 2 油封的类型及结构盼2 4 1 1 2 1 油封的分类 油封从材料上分，它有橡胶油封、 骨架式、无骨架式、包胶式和包铁式。 的是内骨架油封。 皮革油封和塑料油封。从结构上分，它有 而以骨架式油封用的最多。本论文所研究 骨架式油封又有三种结构形式：外骨架型、内骨架型和裸骨架型。三种结构 都是在密封圈内加个金属骨架，在模具中热压成型。骨架油封还可以按轴的 线速度分为低速型和高速型。轴的工作线速度在6 m s 以下称作低速型。8 1 2 i t l s 的称为高速型。骨架油封按唇口的形状又分为普通型及双口型。普通型如图1 1 a 3 ib 幽1 ，1 斡通、砹口型骨架式橡胶油封a 普通型b 域口型 北京化t 人学颅l 研究生学位论文 所示，只有一个唇口并在唇口后面装有弹簧圈，以增加唇口对轴表面的压力， 使唇口对轴径具有较好的自动补偿作用，故称自紧油封，可存储低粘度的润滑油a 双口型油封如图1 1 b ，有两个唇口和轴径接触，但其中只有一道唇口有弹簧，以存 储润滑油。无弹簧的唇口用以防止尘土等杂质侵入 8 】口 1 2 2 油封的相关参数介绍 油封的密封性能和使用寿命和很多因素有 关，比如，材料特性、油封结构参数、装配精度 和工作环境等。本文以内骨架油封为例，其结构 见图1 2 ，其中a 和6 为前唇角和后唇角。简单介绍 一下油封各类参数的概念以及对油封密封性能及 使用寿命的影响。 一 瀚螨 雾 i 。 鬻 _ j 图l - 2 油封几何模型 1 2 2 1 过盈量 过盈量是指在自由状态( 未装弹簧时) 屠口直径与轴径之差。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，唇轴问的间隙过小，唇和轴之间呈 “于接触”，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。过盈量选取的基本依 据是橡胶材料的弹性恢复速度和轴的几何精度，橡胶材料弹性恢复速度大的油封， 即使轴的几何精度差一些，过盈量也可以小一些。一般轴径小 唇口过盈量也小，轴径 大。唇口过盈量也大。 1 2 2 2 唇口接触宽度r 唇口接触宽度r 是指油封唇口与弹簧槽中心的轴向距离，如图1 2 所示。该数值 可以认为是油封的理论接触宽度。r 小，易使接触应力集中分布，有利于控制稳定的 油膜，但过小( 趋于零) 则无法保持油膜，不利于密封；r 值过大，增加摩擦生热，同时， 接触宽度增加，引起单位径向力减小，致使油封唇口与轴之间的“临界油膜”润滑，扩 大成流体润滑，摩擦扭矩减小，发生泄漏。 1 2 2 3 前唇角及后唇角 根据流体动力学的观点，人们得出了油封用于旋转轴时的泵汲效应。在旋转轴 与油封唇r 】的接触处，密封液体是由小的接触角侧泵向大的接触角侧。| ； 、后唇 角与油封净泵汲率有关。如图l 一2 所示，前唇角驴后唇角p ，净泵汲率为匝；旺= b ， 北京化t 人学颅i 。研究生学位论文 净率为零；旺c b ，净泵汲率为负。净泵汲率为零时，接触角两侧的泵汲量相同，泵汲作 用相互抵消。但因存在密封流体静压力在轴跳动情况下容易造成泄漏。q r ；a b ”为收缩率偏小时对应于a b 的轮廓线，此时r ” r 为负。胶 料收缩率的确定最好利用已有的油封模具模压油封。测量a 点对应的直径d 2 ，设模 具中对应于a 点的真径为d 2 ，则( d ，2 _ d2 ) d 2 即为胶料在a 点的收缩率。由于油 封根部橡胶与金属骨架粘结在一起，油封唇口的收缩率与橡胶在自由状态的收缩率 不同，接近骨架部位收缩率小，远离骨架部位收缩率大，故油封唇口不单纯是径向直 线收缩，同时涉及到角度的收缩变化，两项收缩要同时考虑，即唇口向中心轴线方向 径向收缩，同时转动a l 角度，唇部和腰部也相应随着a i 角收缩变化，确定方法如图1 4 所示，图中粗实线是表示油封收缩后常温下截面轮廓线，点划线是表示模 具型腔截面轮廓线在底部骨架附近确定回转中心。点，以o 点为圆心。0e 为半径 画短圆弧向外转动旺。角度至e 点，则e 点即是唇口型腔位置尺寸。对于丁腈橡胶 a 一般取1 。2 。中等硬度氟橡胶a l 一般取2 5 0 4 0 。 1 2 2 6 回流线参数 普通油封勿须设计回流线高速旋转油封一般应在唇后表面模压回流线，称为流 体动力油封。因为油封在高速旋转中轴跳动剧烈，对唇口下油膜的扰动大，易造成油 膜破坏，而且唇口跟不上轴跳动，易造成泄漏，回流线有动力回流作用，能及时把渗漏 的油液泵汲回油腔起到辅助密封作用，同时泵回的油对唇口起到润滑作用。好的动 力回流油封工作寿命长，对轴及其自身的某些缺陷不很敏感，能用于低粘度介质及 高线速度等苛刻场合。回流线分单向回流线和双向回流线，有螺纹、正弦波、三角 凸块等多种形式。螺旋型回流线一般宽o 3 o 8 m m ，高o 0 5 o 1 2 m m ，回流线与 唇口角度5 0 3 5 。回流线参数的设计很关键，特别是回流线高度太大，不但起不到回 流作用，相反，破坏了密封。当油封旋转时，回流线起动力回流作用，将渗出的油泵汲 回油腔，因此，油封在旋转中不会泄漏【”。 北京化工人学坝| ：研究生学位论文 1 3 本论文的主要研究内容及意义 1 3 1 引言 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( 干摩擦状态) 、境界润滑膜( 边界 润滑状念) 、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1 。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念时油封唇口对轴具有良好的接触状态， 且表面接触应力集中分布在宽度为o 1 m m o 2 5 m m 的接触带上。图1 5 ( a ) 是边界 润滑状态，接触应力p r 呈集中分布，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 5 ( b ) 是境界润滑状念，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侧( 属于流体润滑膜) ，因此吸附能力很差，易出 现泄漏。图1 5 ( c ) 是流体润滑状态，接触应力p r 严重分散。油膜厚且分靠不均， 因此雀失吸附能力，出现严重泄漏。由于油封处于边界润滑状态时，油中的些 极性分子具有排列成塑性体或固性体的性质，吸附在摩擦表面上且定向排列成单 分子层或多分子层的吸附膜( 称为境界油膜) ，此油膜起着密封作用。油膜的厚度根 据油的性质和接触应力的大小而有所不同，但是应在0 + 1 岬以下。这样的油封就 有吸附能力和密封作用【卜6 l 。 氯封鲺n 氯 图1 5 油封唇口的接触压力分布与油膜形成 1 3 2 本文的主要研究内容 从酊人对油封密封机理的研究可以看出，在油封没有失稳的情况下，油封密 9 北京化丁大学倾i ：酬究生学位论文 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压力的分布状 态。而后者是前者的决定因素，接触压力的大小及分布直接影响着油膜的形成及 存在状念，也就间接地影响着油封的密封性能和使用寿命。而从参考资料可以知 道影响油封唇口接触压力大小及分布的因素有很多，而其中比较重要的因素是安 装过盈量、后唇角大小、油封弹簧劲度、唇口接触宽度r 以及密封腔内压力大小。 而研究唇口接触压力的大小及分靠与r 值、过盈量、弹簧劲度、后唇角大小以及 密封腔内压力的关系就成了本论文的重要研究内容。 1 3 3 本文研究问题的意义 通过本文的研究，将能够用计算机模拟的方法代替前人经验理论的推导以及 大量的重复试验，并能够总结出油封唇口接触压力大小及分布与唇口理论接触宽 度r 、油封安装过盈量、油封弹簧劲度、后角大小以及密封内腔压力大小的关系。 从而为油封结构的设计以及应用选型提供指导。使油封的设计及选型实现从经验 到计算机模拟分析的过渡。并为油封油膜的存在状态的分析研究以及油封机构的 优化设计奠定基础。 1 0 北京化1 _ 大学硕f ：训究生学位论史 第二章有关油封密封的知识介绍 2 1 油封密封机理的研究历程及现状 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。其中比较有说服力、并经实验证实的是h o r v e l 等人 研究并提出的“泵汲”效应模型理论。该理论认为：被密封液体的表面张力有助于 防止泄漏，可保证密封系统中接触区的油液膜处于混合润滑状态下工作，其密封 是通过油封的“泵汲”实现的。这种泵汲能力是由轴和油封唇部所形成的径向力及 轴向擦拭作用而产生。换言之，油封的密封机理，是由轴上的油封唇部，在轴的运 转过程中不断地将油液从大气侧泵汲到油侧。这一理论经m u l l e r 实验证实：一个 已有泄漏的油封，将它反装，则成为一个良好的泵汲油封。由于油封的密封是一门 边缘科学，同许多学科有关，有多种因素影响，就目前来看仍处于经验理论阶段。 2 2 弹性体密封的自紧密封 就油封的密封形式来讲，油封属于弹性体接触密封。在此类密封中非常重要 的是弹性体密封的自紧密封。弹性体自紧 密封的密封机理依赖于弹性体材料的弹 性和不可压缩性以及初始过盈以及预压 缩的存在。在油封的密封中，属于初始过 盈。 基本的密封机理最容易通过研究一 矩形横截面密封环得到解释，如图2 一l 所示。在自由状态下，密封环在装配时从 初始厚度d 被压缩d ，d 就是装配是的 过盈量。因此，装配后加压前，接触表面 承受预载荷或接触应力d 。与螺栓连接的 法兰挚片不同，这种自紧弹性体密封不需 要高的预载荷柬防止泄漏。 图2 1 无乐弹性体密封的初始 线性过盈d 和接触应力盯。 北京化t 大学颂t ：研究生学位论文 在运行中，流体压力p = 盯，作用于密封的暴露表面并促动密封环使接触压力增 加到较高值盯。( 图2 2 ) 。称为自紧密封机理是因为该接触压力c r p 超过被密封的 流体压力d 。如果情况不是这样的话，流体可能进入密封的配合面之间的间隙并导 致因表面分离造成的泄漏。 密封的接触压力仃。和p 的相互依赖关系，形式上可以从以下步骤从三维应力 应变分析方程导出。 由于只考虑压缩，所以取压缩符号为正较方便；y 为弹性体的泊松比。通过图 2 3 中密封环展丌投影足够表示问题。z 向为周向，y 为积压预载荷方向，x 轴平 行于密封表面。为简化起见，假设在安装密封时平均周向长度不变，则占，= o 。同 样，假设密封均匀地从内外侧被径向压缩总挤压量的一半。对于非对称挤压的密 封，计算更复杂，但结果基本相同。基本方程为： e s 。= 盯。一y ( 盯，+ 盯；)( 2 一1 ) e f 。= 盯，一l ，( 仃。+ 0 1 )( 2 2 ) e 占：= 口；一p ( 盯。+ 盯，)( 2 3 ) 图2 2 流体压力pf 弹性 隧2 - 3 密封环展开图 体密封的密封接触虑力 首先考虑当p = 吒= 0 ( 见图2 1 ) 时密封安装到凹槽中的条件。挤压量 d = d 一7 1 导致压缩应变占，= = d d 。 根据式子( 2 2 ) 和( 2 3 ) 得出： e b 2 0 。一v 口 o = 仃：一坩。 因此，e 岛= c r o ( 卜y 2 ) ， 或者酽e 高 现在，施加流体压力见图2 2 。从式( 2 2 ) 和( 2 3 ) ，得到 e o = 盯。一y ( 盯；+ p ) 0 = 盯：一v ( p + 盯p ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 盯：= ( p + 盯。) ( 2 - 6 ) 从式子( 2 4 ) ( 2 6 ) 得到： 盯。( 1 一v 2 ) = 盯，一v p 0 + 盯，) + p 1 = 盯，( 1 一v 2 ) 一v ( 1 + v b 因此，= c r o + 导兰专字p = c r o + p c z 一， 弹性体材料几乎是不可压缩的，也就是说，泊松比y zo 5 。将其代入式( 2 7 ) ， 得到： 盯。= 盯o + p ( 2 8 ) 这意味着密封接触压力c r d 总是比流体压力p 高出预压缩应力的量c r 0 ，只要泊 松比保持接近0 5 ，在弹性材料高于玻璃态温度的情况下，一般如此，密封自动地 适应流体的压力变化，实现自紧密封。所以自紧密封只适用于泊松比约等于o 5 的 弹性材料。油封的主材是超弹性材料橡胶，这点上满足自紧密封的条件，但是由 于油封的结构相对比较复杂，不完全是靠弹性体的弹性来进行密封，所以其能不 能完全满足自紧密封，还不可知，后面分析中将进行验证。 2 3 油封密封状态下油膜中的流动 2 3 1 介绍 油封工作状态下，油膜厚度非常有限，基本上在o 0 0 1 m m 级上。原则上，这 类小的密封m 隙中的流动由流体内的分子问结合力和流体对固体表面的粘附力支 配；惯性作为第二因素。结合力的度量足流体的动力粘度胛。当粘附力在流动的液 体中占优势时，附近的流线平行并且为层流。虽然流体附着在密封问隙的壁上， 1 3 北京化丁人学碘i ：婶f 究生学位论文 局部表面的不规则使主流偏转，只要粘附力占优势，这类局部扰动就立即被消除， 因此流动保持层流。但是，如果密封面相对速度高和或粘度低，则存在极限，超 过此极限，局部交叉流不能被缓冲掉，并且存在向紊流的突然转变，使总体流动 变得不规则。 从层流过渡到紊流的准则和层流计算的数学基础均与o 雷诺相关。过渡出雷 诺数r e 表征，而流动参数( 几何形状、压力、速度和粘度) 通过雷诺方程相互联 系。 2 3 2 雷诺数和雷诺方程 2 3 2 1 雷诺数 考虑含有密度p 和动力粘度刁( 或运动粘度忙叩p ) 、以匀速“流动、间隙 为 的密封| 、日j 隙。雷诺数定义为： r 。：业：堕 矿 临界雷诺数：根据经验，已知窄间隙的流动在r e 超过临界值r 萨2 0 0 0 4 0 0 0 时变成紊流。如果密封端面粗糙，尤其当端面有凹槽时，在r 萨5 0 0 l o o o 低的雷 诺数下，紊流电可能发生。在很窄的间隙中，尤其小于1 0 肿的间隙中，在几何所 有的标准条件下，甚至当流体为气体时，流动也将变成层流。 2 3 2 2 压力梯度和速度分布 现在利用雷诺方法建立压力分布( 和被液膜整体接触支撑的载荷) 和层流型 密封问隙中的体积流量( 即泄漏率) 计算 方程。 图2 4 表示具有以不同速度滑动的两 个密封结合表面的一般密封界面，速度分 量分别为 u ，v 1 ，) 和每：，v ：，w 2 。流体的 小元中的局部速度分量表示为_ ，v ，w 。 在y 方向上测量局部间隙 ( x ，z ) 并视其为 小于x 和z 方向上的密封界面范围。粘度，7 视为常数。 1 4 图2 4 密封间隙：流体速度平l j 边界的定义 “，v ，w ：流速 ：密封问隙 距离 口：动力粘度 北京化t 人学坝l ：研究生学位论文 通过考虑体积元( 出，咖，出) 中的粘附力和压力诱导力的平衡建立雷诺方程。压 力梯度为却舐和劫如，局罱| j 男切应力枷印丰u 班w 印。 如图2 5 所示，x 方向上的力平衡给出： 孙考 蚴一塞蝴一。 从而导致以下x 方向上局部压力梯度： 塞= 孙刳 同样z 方向上： 考= 孙刳 出于y 方向上的间隙尺寸小，可以假设间 隙h 上的压力恒定不变，因此印砂= o 。由于 在表面山存在粘附力，因此以下边界条件适 剐 用： y = o ；“= “1w = w l y = ； “= “2w = w 2 叩 将式于2 9 、2 一l o 对流动运厦“才w 曲次求 积分，并应用上述的边界条件，结果速度分布 为： “o ) = ( - 一老弘+ 詈y 一刍塞y o y ) w ( y ) = ( 一尝 w l + 等y 一刍罢y ( 一- y ) 存以下椎导中流体被视为不可爪缩。 2 3 3 二维流动 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 。1 1 ) 陪孙荆抛 出i 咖出 幽2 5 作 1 ；l 在一体积元上的 压力和剪切麻力 一般地，不可压缩流( 图2 6 ) 的连续性要求：譬+ 譬+ 掌：o 融却0 2 1 5 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 北京化丁人学碗i ：研究生学位论文 在密封膜中，将其改为适用于扩展到间隙高度 似z ) 的一体积元( d r 出) ，见 图2 7 。 剀2 6 一体积元中流动连续性 图2 - 7 膜体积元的三维视图( h d x d z ) 璧咖州+ f 挚= 。 应用以下微分规则： 矽 g 絮盟= 丢a m ，y 渺_ ，( 坝砌警+ 厂( 州枷掣 对于y = ，盯= 0 ，w = w 2 和u = u 2 时，式子2 一1 4 的各个积分为： r 罢咖= 丢f “砂一“：尝 f 暑砂= 兰f 呻一警 同样，应用式子2 1 2 和2 1 3 ， f 咖= 半一一去赛一3 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 式子2 1 5 和2 1 6 的右侧的第一项可写成： ( 2 1 7 ) 江 如 生抑施愕 矿 合锄缸 勿一玉 幻 叱 茜豺 伽 生 咖；壮飙卜械卦端 北京化- t 人学碳i 二研究生学位论文 未( 篙豺昙临势未 半m ) 一善( 半一) ( 2 1 9 ) 0 a 矗 + “2 ：一+ w 2 _ 一v 2 + v l = u 这些偏微分方程不能对任意 ( 茁，z ) 分析求解。但是，对于特定的密封问隙情况， 方程可以简化。首先考虑具有假设为刚性边界的表面1 的密封间隙，该边界与x 轴 重合，并在+ x 方向以单向速度“= 砘移动，则= o 和= o 。同样，表面2 被认 为相对移动壁静止( “2 = 屹= w z = o ) 。那么雷诺式( 2 一1 9 ) 还原成可广泛应用于 动念密封和动态轴承的一种形式： 豪( 等罢) + 丢( 等 = a 尝 c z z 。， 2 3 4 非对称环形间隙中的一维流动 举例来浇，往复式活塞杆的界面膜可当作非对称环形问隙，见图2 8 ，因为间 隙沿周边( z 方向) 是恒定的，。矗如= o 和劲a z = 0 。因此式( 2 2 0 ) 进一步还原 成仅有单向流的变量，因此得到： ( 2 2 1 ) 生字：。砌+ c 定义a 为勿出：。处的间蓦耋磊密雾篙杂嚣嚣竺搿 ，7 如 隙，得到c = 一6 砌+ ，因而得到与局部压力梯度协出) 、问隙形状 = ( x ) 、轴向 滑动速度“和流体粘度卵关联的一维雷诺方程： 生字：6 “( 一 + )( 2 2 2 ) 行积 继续进行泄漏率的计算，定义q 为体积流量，b 为间隙在z 方向上的周向长 度，那么： f 删r ：兰 + ：垒或者 ：丝 旬 。 26“6 7 根据已知参数，式( 2 2 2 ) 可以演变成如下应用形式： 塑：6 姗坚 ( 2 2 3 a ) 口k 。 尘：堕f 丝一垒1 ( 2 2 3 b ) 出 。l26 q ：6 f - 旦塑+ 堕1 ( 2 - 2 3 c ) i1 2 叩出 2j 式( 2 2 3 c ) 的第一项为压差对总流动的作用，可称为压力流。第二项为被滑 动表面拖动的剪切流引起的作用。因压力流引起的速度在 上的分布为抛物线形 式；剪切流具有线性分布( 见图2 8 ) 。微分式( 2 2 3 ) 广泛应用于流体密封技术。 2 4 往复运动油封油膜的相关计算 2 4 1 密封界面的流体动力学 聚合体密封所施加的径向接触应力由 过盈建立的预载荷和被密封液体的液体静 压力引起的一个分量组成。后者通过密封 的主题传递到密封界面的密封表面。 预载荷由密封体的十分只几毫米的初 始径向变形造成，而界面流体膜厚度仅为 十分之几微米，因液膜形成时密封抬升引 起的挠曲不会有效的改变密封的局部接触 压力。因此，由于不管是直接与活塞杆接 触还是浮动在薄的液膜上都假设密封具有 相同的局部接触应力，所以弹性流体动压 模型的一个基本假设是密封的接触应力分 布与膜中的流体压力分布相同。换句话说， 密封间隙是根据密封径向载荷被膜的流体 压力局部抵消这一基础计算的，见图2 9 。 实际密封端面应力分布相当于膜 压力p ( 茁) 根据密封的过盈量等因素 8 幽2 9 密封界面上铍流体压力 局部抵消的径向载荷 ! 室些工厶堂丝! ：型塑生兰丝堡兰一 测量或者计算。因此膜压力p ( x ) 当作已知。不过此压力在摩擦力过高时在切向上 会有显著的变化。 图2 1 0 展示了液压杆密封的外行程的情形。活塞杆从充满液压流体的腔体以 速度“。在+ x 方向上向空气侧伸出。内部压力为岛。可变膜厚度为 ( z ) ；液膜中 的可变压力为p 0 ) 。问隙内的粘度刁假设恒定不变。当规定 ；为最大压力处的膜 厚时，则准一维流动的雷诺方程为： 3 字一6 私。( 一 ：) = o ( 2 2 4 ) 对于软的聚合体表面，膜压力p g ) 和 压力梯度勿出假设已知。因此，问题就 成为对 ( x ) 膜厚沿密封接触面的分布 求解式( 2 2 4 ) 。 已知式子( 2 2 4 ) 为倒数雷诺方程， 并且是 ( z ) 的三次方程。对其进行微分得 出： 幽2 l o 外行程中膜压力和流速分布 一3 窘+ 祟( s 一2 塞却。 = 。 c z - z s ， 直接计算图2 - 1 0 中转折点a 处的膜厚 。是有可能的。由于在a 处 d2 p 出2 = o ，式( 2 2 5 ) 应用于a 点就是： 舡叫= 。 协z s ， 既然在a 点膜的厚度梯度幽出o 。那么方括号内的表达式必须为零，设 = ( 咖出) 。，得出a 点的膜厚为：