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激光加工微凹坑轴表面对唇形密封泵吸效应与摩擦特性的影响 摘要 旋转轴唇形密封因具有形态小、结构简单、密封性好、价格低廉等优点广 泛应用于工业。随着车辆、机械、航空等工业的高速发展，对旋转轴唇形密封 的使用性能也提出了越来越高的要求。旋转轴表面形貌对密封效果以及密封圈 使用寿命的影响引起了广泛的关注。 为了研究旋转轴表面形貌对唇形密封泵吸效应及摩擦学性能的影响，本文 通过在旋转轴表面加工微凹坑来控制其表面形貌的方法来进行研究。首先采用 y l p f 1 0 型光纤激光打标机，配合使用标准旋转工作台e r s c l o o 在旋转轴试 样圆周表面进行激光微加工，解决了y l p f 10 型光纤激光打标机对曲面进行激 光微加工的问题。得到两组具有相同表面粗糙度、不同表面微结构的试样：一 组为圆形微凹坑，通过保持直径不变，调整凹坑间距、凹坑深度以及表面占有 率等参数加工并制造了四个表面粗糙度相同的试样；另一组为三角形微凹坑， 通过只改变凹坑的方向而保持凹坑参数相同的方法，加工并制造了四个表面粗 糙度相同的试样。然后在m m y - 8 0 0 0 油封密封实验机上针对不同转速、不同轴 表面形貌等工况，完成了一系列对比实验：通过扫描电镜图对实验后密封唇表 面进行了分析。实验结果表明：三角形微凹坑朝向油液侧的试件能够有效地促 进泵吸效应，达到增强密封的目的，同时在某些转速下有一定的减摩效果；与 未微加工面相比，圆形微凹坑面积占有率为7 和2 1 的表面具有良好的减摩 效果，三角形微凹坑顶点沿周向的两个表面减摩效果较好。 以旋转轴唇形密封摩擦副为研究对象，建立了润滑模型，对其摩擦润滑特 性进行了一些前期的探索性研究，为今后进一步研究凹坑表面的摩擦润滑特性 奠定了基础。 关键词：旋转轴唇形密封激光加工微凹坑泵吸效应摩擦特性 ef f e c to fl a s e rt e x t u r e ds h a f ts u r f a c e so nt h er e v e r s e p u m p i n ga n d f r i c t i o n a lp r o p e r t i e so f l i ps e a l s a b s t r a c t r o t a r ys h 心l i ps e a l sh a v em a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss m a l lf o r m ，s i m p l es t r u c t u r e ， g o o ds e a l i n gp e r f o r m a n c ea n dl o wp r i c e ，t h u st h e ya r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r y w i t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n to fv e h i c l e ，m a c h i n e r y , a v i a t i o na n do t h e ri n d u s t r i e s ，t h er e q u i r e m e n t o nt h ep e r f o r m a n c eo fr o t a r ys h a f tl i ps e a li sh i g h e ra n dh i g h e r t h er e s e a r c ha b o u te f f e c to f s u r f a c em o r p h o l o g yo fr o t a r ys h a f to ns e a l i n ge f f e c ta n ds e a ll i f eh a sa t t r a c t e dw i d e a t t e n t i o n i no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c eo fs h a f t ss u r f a c et o p o g r a p h yo nt h er e v e r s ep u m p i n g e f r e c ta n df r i c t i o n a lp r o p e r t i e so fl i ps e a l s ，t h em e t h o dw ec h o o s ef o rr e s e a r c hi st e x t u r i n g o nt h es u r f a c eo fr o t a r ys h a f tt oc o n t r o li t ss u r f a c et o p o g r a p h yi n t h i sp a p e r f i r s t l y , l a s e r m a r k e ry l p f10i su s e dt om a r kl a s e rt e x t u r i n go nt h ec y l i n d r i c a ls u r f a c eo fr o t a r ys h a f t s p e c i m e n sw i t ht h eh e l po ft h es p e c i a lr o t a r yw o r k t a b l ee r s c 10 0 c o n s e q u e n t l y , t h e p r o b l e mt h a t l a s e rm a r k e ry l p - f10t e x t u r e so nc u r v e ds u r f a c ei ss o l v e d t w os e t so f s p e c i m e n sw h i c hh a v es a m es u r f a c er o u g h n e s sr a ，b u td i f f e r e n tl a s e rt e x t u r i n go nt h e s u r f a c ea r eo b t a i n e d ：o n es e to ft h es p e c i m e n sa r ec i r c u l a r , w h i c hh a v et h es a m es u r f a c e r o u g h n e s sr ab yk e e p i n gt h ed i a m e t e rc o n s t a n ta n dc o n t r o l l i n gt h ed i s t a n c e ，d e p t ha n d a r e a d e n s i t yo f t h em i c r oc a v i t y , t h eo t h e r sa r et r i a n g u l a r , w h i c hh a v et h es a m ep a r a m e t e r so ft h e m i c r oc a v i t y , o n l yc h a n g et h ed i r e c t i o no ft h em i c r oc a v i t y t h e nas e r i o u so fc o m p a r i s o n e x p e r i m e n t su n d e rd i f f e r e n tr o t a t i o n a ls p e e d ，d i f f e r e n ts u r f a c et o p o g r a p h i e sw e r ec o n d u c t e d o na l lo i ls e a lt e s t e r s o m el i ps u r f a c e sa f t e re x p e r i m e n t sw e r ea n a l y z e db yu s i n gs c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p yi m a g e t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h es p e c i m e n sw i t ht r i a n g u l a rm i c r o c a v i t yt o w a r d so i ls i d ec a np r o m o t et h er e v e r s ep u m p i n ge f f e c te f f e c t i v e l yw h i c h m a k e st h e s e a l i n gp e r f o r m a n c ee n h a n c e d a tt h es a m et i m ei t c a r tr e d u c et h ef r i c t i o nu n d e rs o m e s p e e d s i nc o n t r a s tw i t ht h es u r f a c ew i t h o u tl a s e rt e x t u r i n g ，t h es u r f a c e sw i t hc i r c l em i c r o c a v i t yo fw h i c ha r e ad e n s i t ya r e7 a n d21 r e s p e c t i v e l ys h o wb e t t e rf r i c t i o nr e d u c i n g ， a n dw i t ht r i a n g u l a rm i c r oc a v i t yl a g g i n ga n dl e a d i n gc a nr e d u c et h ef r i c t i o n t ot a k et h er u b b i n gp a i ro fr o t a r ys h a f t l i ps e a la st h eo b j e c to ft h es t u d y , t h e l u b r i c a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e dt od os o m ee x p l o r a t o r yr e s e a r c h e sa b o u tt h e i rf r i c t i o n a l a n dl u b r i c a t i o np r o p e r t i e s i tl a y sag o o df o u n d a t i o nf o rf u r t h e rr e s e a r c h i n gt h ef r i c t i o n a l a n d1 u b r i c a t i o np r o p e r t i e so ft h em i c r oc a v i t ys u r f a c e k e y w o r d s ：r o t a r ys h a f tl i ps e a l s ，l a s e rp r o c e s s i n g ，m i c r oc a v i t y ，r e v e r s ep m n p i n ge f f e c t ， f r i c t i o n a lp r o p e r t i e s 致谢 转眼间，三年的研究生求学生活即将结束，站在毕业的门槛上，回首往昔， 不禁感慨万千。值此论文完成之际，我谨向所有关心、爱护以及帮助我的人们 表示最诚挚的感谢和最美好的祝愿。 首先向我的恩师刘煜教授致以由衷的感谢，本论文是在刘老师的悉心指导 和殷切关怀下完成的。三年来，刘老师对我的工作、学习和生活给予了无微不 至的关怀。刘老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风， 诲人不倦的高尚师德，宽以待人的处世风范，朴实无华、平易近人的人格魅力 对我影响深远。导师不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却赋予我终 身受益无穷之道。 本论文的完成也离不开摩擦所其他各位老师、同学和朋友的关心与帮助。 在此也要感谢刘小君，胡献国，俞建卫，焦明华，解挺，尹延国，王伟等各位 老师在论文开题、中期汇报、初稿、预答辩期间所提出的宝贵意见；感谢田明， 孟培怀等老师在实验过程中给予无私的指导与帮助。 感谢李媛，张志斌，徐新泉等同学陪伴我度过三年的宝贵时光；感谢各位 师兄师姐师弟师妹：赵明，刘仕冬，张伯平，李见，李兵，周洋，贾文兵，杨 川江，王森，朱桂庆，王志勇，李杨，王爱彬等，在学习和生活中给我许多鼓 励和帮助；感谢我的同学和朋友张卫霞，石文莹，李静，胡健，张静等三年来 对我的爱护、包容和帮助。 特别感谢我的父母和弟弟，是你们不断的关怀和鼓励支持着我度过人生的 每一个阶段，取得每一份收获，愿你们一切安好! 作者：董慧芳 2 0 12 年4 月 插图清单 图卜l 油封结构示意图2 图卜2 径向唇形密封在旋转轴上的布置简图2 图卜3j a g g e r 油膜厚度测量3 图卜4 密封圈表面粗糙组织4 图卜5k a m m u l l e r 的泵吸机理。5 图卜6 密封区域简图6 图卜7 月牙形油膜摄入密封区域简图7 图卜8 密封区域简图8 图卜9 模型简图9 图卜l o 密封区域微粗糙峰的扫描电镜图1 0 图卜1 1 径向唇形密封的测试装置图1 0 图卜1 2 旋转轴的表面形貌1 1 图2 一l 激光打标机和旋转工作台实物图1 7 图2 2 旋转打标示意图1 9 图2 3 表面轮廓仪和金相显微镜实物图2 0 图2 4 圆形微凹坑试样的显微放大图和表面轮廓图2 1 图2 5 三角形微凹坑试样的显微放大图和表面轮廓图2 2 图2 6c 7 试件h t - s u r f1 0 0 0 0 型轮廓仪测量图2 2 图2 7 实验机结构示意图2 3 图2 8 密封圈与旋转轴部分放大图2 4 图2 9 实验软件操作界面2 5 图2 1 0 唇形密封圈2 6 图2 1 l 旋转轴试件2 6 图3 1 转速为1 5 0 0r m i n 时，摩擦力随时间和转速变化关系图2 9 图3 2 转速为1 5 0 0r m i n 时，摩擦力一时间关系图2 9 图3 3 摩擦力一转速关系图一3 0 图3 4t 4 试件的泵吸率与转速关系图3 l 图3 5 新密封圈以及实验后( 转速3 0 0 0r m i n ) 密封唇表面扫描电镜图3 5 图3 6 各转速下与t 4 试件配合的密封唇表面扫描电镜图3 6 图4 一l 旋转轴唇形密封的动力润滑模型3 8 图4 2 求解流程图4 2 图4 3 油膜厚度分布图4 4 图4 4 流体压力分布三维图4 4 图4 5 不同速度下流体压力分布( f = o 0 5n r a m ) 4 5 图4 6 体积泵吸率和平均油膜厚度随速度的变化规律( f = o 0 5n r a m ) 4 5 图4 7 不同接触载荷下流体压力分布( u = im s ) 4 6 图4 8 体积泵吸率与平均油膜厚度随接触载荷变化规律( u = lm s ) 4 7 表格清单 表2 1y l p f i o 光纤激光打标机技术参数1 6 表2 2 试件加工控制参数及表面算术平均偏差( 三角形微凹坑) 1 8 表2 3 试件加工控制参数及表面算术平均偏差( 圆形微凹坑) 1 8 表2 4 打标参数2 0 表3 一lt 4 试件各转速下的泵吸量3 l 表3 2 各试件在不同转速下泵吸现象3 2 表4 一l 计算需要的参数4 3 1 1 概述 第一章绪论 旋转轴唇形密封圈习惯上称作油封，广泛应用于机械以及相关行业存在旋 转轴密封的场合，如变速器中的前后输出轴，驱动桥的主减速器及轮边等处， 其功能在于将油腔与外界相隔离，对内封油，对外封尘( 副唇起防尘作用) 。 目前国内所使用的油封结构形式较多，基本结构主要包括橡胶密封部分、金属 骨架或壳体和金属弹簧。 油封密封性能的优劣对机器的性能、环保都具有十分重要的意义。影响油 封密封性能的因素很多，其主要的影响因素有橡胶品种、润滑油、润滑油添加 剂、密封圈的结构因素、安装因素、轴的因素及其工作环境等。每个因素均会 对密封性能产生影响，只有了解并掌握这些因素，合理地设计产品结构，确定 合适的工作条件，正确地安装使用，才能达到较为理想的密封效果。为了提高 油封的密封性能，延长其使用寿命，人们在油封的结构设计、橡胶配合技术及 安装使用方法等方面进行了大量的研究。目前已经有越来越多的学者注意到不 仅仅是密封圈本身很重要，与密封圈配合的轴表面形貌对油封密封性能也有很 大的影响，但遗憾的是关于这方面的研究还很少。 激光加工是一种先进微制造技术，激光表面微制造利用激光束照射到待加 工物体表面，激光束聚焦后在极小的焦斑范围内，具有很高的功率密度，在短 时间内，将材料熔化、汽化，最终形成所设计的表面微观结构。随着对物体表 面，尤其是对重要摩擦副表面性能要求的提高，表面微加工技术以其可改善摩 擦性能的优异特点得以迅速发展。目前研究表面激光微加工对摩擦副表面摩擦 性能的影响主要从理论和实验两方面展开，国内外众多学者对此进行了深入广 泛的理论和实验研究，部分研究成果已经成功应用于工程实践【2 j 。 因此，将激光表面微加工技术应用于旋转轴表面，通过改变轴的表面形貌 来提高油封的密封性能及使用寿命将会是旋转轴唇形密封十分重要且意义重大 的研究方向。 1 2 旋转轴唇形密封简介 1 2 1 径向唇形密封的结构 旋转轴唇形密封又称径向唇形密封，是最常用橡胶密封件之一，它通常安 装在机械设备中旋转轴的端部，对润滑油、润滑脂起密封作用。密封圈具有柔 性唇，内有金属骨架支撑，靠密封刃口给旋转轴施加径向力。这样，既能防止 润滑油泄漏，又能防止水、尘土和其它有害物质从外部侵入，是传动轴介质密 封不可缺少的密封形式。 油封一般由以下几个部分组成( 见图l - 1 ) 。 骨船 橡腔部分 图1 1 油封结构示意图【3 】 1 ) 橡胶部分：油封的主体，利用材料的高弹性起密封作用； 2 ) 金属骨架：刚性体，增加油封的结构刚性，在一定场合可起静密封作用； 3 ) 弹簧：向油封提供径向力以保证密封。 和其它形式的动密封装置相比，油封具有形态小，结构简单，安装拆卸 方便，价格低廉，密封性好，随动性( 补偿轴与孔的不同轴度及轴的椭圆度， 且不形成间隙) 优良，以及对被密封部件加工精度要求较低等优点i jj ，因此， 被广泛应用于机械以及相关的行业存在旋转轴密封的场合。 用作油封的橡胶主要有丁晴橡胶、丙烯酸酯橡胶和聚氨酯橡胶，特殊情况 用硅橡胶、氟橡胶和聚四氟乙烯橡胶。其中丁晴橡胶耐油，聚氨酯橡胶耐磨， 硅橡胶耐高温和低温，氟橡胶则较耐高温。橡胶材料决定了油封工作温度，丁 晴橡胶、丙烯酸酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶，它们的适用温度范围，依次分别为 ( 4 0 12 0 ) 、 ( 2 0 、15 0 ) 、( 10 0 2 5 0 ) 、( 4 0 2 0 0 ) 。油封 的橡胶材料应以稍微有些膨胀为宜，可给油封的密封效果带来较好的结果。 此外，油封还用到骨架材料和弹簧材料。前者常用热轧钢板或钢带，只有 海水及腐蚀介质才用不锈钢板。后者一般用弹簧钢丝、琴钢丝或不锈钢丝等【4 j 。 典型的径向唇形密封的例子如图1 - 2 所示。密封圈以一定的过盈量安装在 轴上，卡紧弹簧用于确保在整个密封圈寿命中密封唇以一个常载荷被压在轴上。 密封唇通过两个角来表示：空气侧角和润滑油侧角。密封设计者通过经验知道 选取空气侧角比润滑油测角小，这样密封圈才能保持润滑油在系统内部。 g a r t c - 1 u b r i 图1 2 径向唇形密封在旋转轴上的布置简图【1 4 】 1 2 2 密封机理 尽管早在2 0 世纪3 0 年代弹性旋转轴唇形密封圈就己得到应用，但是对于 这类密封圈的基本性能一直缺乏比较全面的了解，直到最近才有所发展。导致 这种情况主要有以下三个原因：第一，存在许多复杂的物理机理控制着唇形密 封圈的密封性能；第二，其中一些机理基于微观尺度，难以观察；第三，这些 机理之间相互耦合，不能通过近似形式的解析表达式来描述。然而，过去这些 年各种实验观察已在大多数重要的工作机理方面达成共识，同时数值分析研究 也有了许多进展。 早期关于旋转轴唇形密封的研究，可以追溯到19 5 7 年，j a g g e r 峥刮在这个 方面做出了开创性的研究。他通过油膜厚度测量证实了在正常运转的情况下油 封唇与轴表面之间存在连续的液体油膜将其分开。图卜3 所示为j a g g e r 早期的 油膜厚度测量，结果表明油膜厚度仅有几个微米。这个结果与j a g g e r 通过摩擦 力测量所计算出的油膜厚度结果相一致。继j a g g e r 之后，各种直接或间接的测 量普遍都十分支持正常运行期间油封唇与轴之间存在一层连续油膜这一观点。 飞 7 j i 1 、一 n 咖一 1卜 ：l _ 7 1 警、 i 叶 1 i 憎悖葛誉 吐l 驾o k 图1 3j a g g e r 油膜厚度测量 5 l 随后，许多其他学者也证实了润滑油膜的存在。o g a t a 7 1 利用电阻技术直接 测量了油膜破裂时的分数，在此过程中允许油封唇与轴之问有接触。同时他还 做了摩擦测试，结果表明对于典型的密封圈来说，当轴的速度低于o 0 0 2 6m s 时，系统处于干摩擦状态。当速度在o 0 0 2 6 至0 18m s 之间时，系统处于边界 润滑状态。当速度高于0 18m s 时，系统处于流体动力润滑。p o l l 和g a b e l l i a l 利用磁抗技术直接测量油膜厚度，得到速度为1 4m s 时油膜厚度高达9 5u m ， 当速度达到0 0 4m s 时油封唇与轴完全分开。v a nl e e u w e n 和w o l f e r t j 利用光 学开环聚焦误差信号检测技术做了油膜厚度测量，这个测量得出油膜厚度范围 从0 0 3 5m s 时的1p m 到o 3 5m s 时的4 5g m 。 以上结果都表明低速时油封唇与轴之间可能处于边界润滑甚至是干摩擦， 平稳运行时连续的润滑油膜将油封唇与轴分开。正如j o h n s t o n 【1o 】所指出的那 样，干摩擦运行时密封圈将发生渐进磨损，但是初始磨合期后密封圈与轴之间 形成一层油膜，因此随后密封圈的磨损几乎保持恒定。然而，油膜的发现导致 两个棘手的问题，这两个问题困扰着这个领域的许多学者，甚至是最初进行研 究的j a g g e r 。第一，产生载荷支持使得油封唇与轴分开并且保持油膜完整的载 荷支撑机理是什么? 第二，防止油液通过油膜发生泄漏的密封机理是什么? 不 像其他类型的动态密封，例如端面密封和迷宫式密封，设计良好的唇形密封是 不会产生泄漏的。由于润滑油膜是连续不断的，因此一定有能够防止油泄漏的 控制机理存在。 许多经验观察、控制实验和数值分析都表明载荷支撑机理和密封机理与密 封唇表面的粗糙组织有着密切的联系。尽管新密封圈的唇口表面十分光滑，但 是经过跑合之后，在密封区域内合格的密封圈表面会产生许多粗糙组织【1 1 1 。这 些粗糙组织就像微型滑动轴承【1 2 】那样产生载荷支撑力。当轴旋转时，油液被拖 过每个粗糙组织，上游油膜厚度的变化产生压升。在下游，粗糙组织间发生气 穴现象，导致净压力升高。正是这种升高的净压力将唇口与轴分离，从而保持 了油膜的完整。油膜将油封唇抬起与轴表面分离，外载荷由流体动压力来承担。 目前h o r v e 的这个承载机理已被大多数研究人员所普遍接受。h o r v e 】分别对 唇口表面有很少和很多粗糙组织的密封圈进行了研究，结果表明数量较多的粗 糙组织是达到密封唇表面低磨损和低失效率的必备条件( 见图1 4 ) 。 ( a ) 粗糙的无泄漏密封( b ) 新的有泄露密封 图1 4 密封圈表面粗糙组织【l u 泵吸效应是唇型密封圈特有的现象，它通过将油液反吸到液体侧来阻止油 液向空气侧泄露。设计很好的旋转轴唇形密封表现出零泄漏，当这种密封圈在 全膜润滑状态下运行时，这种泵吸效应能够很好地防止油液泄漏。如果一个非 泄露旋转轴唇形密封的空气侧充满油液，油液被密封圈反吸到密封腔侧。密封 区域所产生的泵吸行为抵消了油液从腔体泄漏的趋势，从而阻止了泄漏。开发 新密封圈时，制造商通常要进行淹没测试来确定泵吸率，通过泵吸率来评定密 封圈的密封性能。有许多假说试图解释为什么这些密封圈能够阻止泄露，其中 包含各种不同的原因，例如：表面张力、毛细力、w e i s s e n b e r g 效应、涡流、密 封唇动力学以及密封接触区的切向变形。19 6 9 年，k u z m a 【_ 1 3 】提出一个机械密封 4 表面受粘性剪切力而发生切向变形的理论。他认为这个理论可以应用于径向唇 形密封。1 9 8 6 年，k a m m t i l l e r 1 4 1 将这个理论进一步发展，他把这种切向变形可 视化并且把观察到的粗糙度样式与泵吸率联系起来。他的这种假说如图卜5 所 示。轴静止时观察到轴向延伸的波动。当轴旋转时，最大的粘性摩擦力位于接 触压力最大处，油封唇表面受到切应力从而在圆周方向发生变形，同时形成v 型的轴向延伸的波动，像一个非对称的螺旋形沟滑动轴承，将油液泵到接触的 中心。由于这种非对称的沟样式并且油封唇表面变形最大处更靠近液体侧，因 此由空气侧向液体侧有一个净泵吸量。k a m m t i l l e r 将油封液体侧角与空气侧角 的宏观几何形状与其密封性能相关联。他从测试中总结出这两个角度有很大的 差异是油封唇表面产生非对称切向变形的必要条件，而产生泵吸需要这种非对 称的切向变形。当泵吸率比自然泄露大很多时，密封效果会很好。m t i l l e r 【1 圳 也建议净泵吸流的产生与液体侧角b 大和空气侧角q 小有关。目前，切向变形 理论已被普遍接受作为油封主要的密封机理。 图1 5k a m m t i l l e r 的泵吸机理【1 4 l 1 3 旋转轴唇形密封国内外研究现状 1 3 1 旋转轴唇形密封的模拟工作 润滑油膜处流体动压力决定了界面处的流体压力分布。流体压力使得密封 圈发生变形并且在径向密封表面远离其配合表面。因此，流体动压力决定了液 体油膜的几何形状，同时油膜的几何形状又反过来影响流体动压力、流体压力 分布以及切应力分布。由此可见，唇形密封圈的运行是一个弹流润滑( e h l ) 问题。然而，当接触压力和流体压力比传统弹流问题中( 金属与金属的接触) 的小很多，当依赖流体粘度的压力没有起到很大作用，这时唇形密封问题涉及 到软弹流方面的问题。 第一个最重要的数值分析是由g a b e l l i 和p o l l 【1 6 1 7 完成的。g a b e l l i 通过雷 诺方程和有限差分方法模拟了密封圈和轴两个平行粗糙表面的润滑油膜形成过 程。在此模型中，载荷是由流体动压力和表面为粗糙峰的接触共同承担。g a b e l l i 表明他的模型是评价粗糙度几何形状对径向唇形密封润滑状态产生影响的有效 工具。随后，g a b e l l i 和p o l l 也考虑了橡胶密封唇的粘弹性膨胀效应对润滑油 膜压力的影响。承载能力也需要考虑橡胶密封唇动态因素的影响。s a l a n t 和他 的同事们发表了一系列论文，其中包括微粗糙峰的变形和密封唇的变形。在 g a b e l l i 、p o l l 和s a l a n t 的文章中，用规则的周期结构例如正弦函数来代表密封 唇表面的表面形貌。密封唇与轴之间的流体被认为是层流，流体为不可压缩流 体，而且是动力粘度为常数的牛顿流体。由于润滑油膜非常薄，因此应用雷诺 方程，其形式如式卜1 所示： 晏( 厶3 罢) + 晏( 办3 罢) = 6 0 。uioh(1-1) a xo x 掣叫 o x 这里，h 为油膜厚度方程，p 为油膜压力，1 1 0 为动力粘度，x 为切向位置，y 为 轴向位置，u 。为轴沿切向的速度。油膜厚度方程如式卜2 所示： h ( x ，y ) = h o + 晒( y ) + 吃印( x ，y ) ( 1 2 ) 其中，h o 为公称油膜厚度，h l i 。( y ) 为密封唇轴向宏观几何形状，h a s p ( x ，y ) j 7 密封 唇表面粗糙度几何形状。密封唇表面粗糙度几何形状用简单的周期正弦函数模 拟。 s a l a n t 1 8 】建立正常运转时产生月牙形油膜的数值模型来预测旋转轴唇形密 封的性能。正常运转情况下，假设月牙形油膜将密封润滑油与大气在密封圈的 空气侧分开，如图1 - 6 所示。月牙形油膜液体侧的压力p l 小于大气压力，这个 压力是表面张力作用的结果。假设密封压力p 。大于大气压力。 图1 6 密封区域示意图【1 8 1 此时，密封区域有两股流体的重叠。第一股流体从液体侧到空气侧，由压 力差p 。一p 1 驱动。第二股流体是由空气侧流向液体侧，是“泵吸”作用的结果。 随着轴转速的增加，泵吸增加同时月牙形油膜向密封区域边缘方向靠近( 1 m 减小) 。转速增大到临界速度时，月牙形油膜正好移动到密封区域的左侧边缘 ( 1 m = o ) 。如果转速继续增加，月牙形油膜移动到密封区域内，此时被称为“摄 入”。这种情况如图1 - 7 所示。在这种摄入的情况下，存在多个平衡月牙形油 膜位置。在这些月牙形油膜的平衡位置，净泄漏量为零。 在这个模型的基础上，s a l a n t 对密封区域进行了弹性流体动力学和弹性唇 表面变形分析。通过分析得出了油膜厚度、密封压力、转速的变化对油膜压力 分布、密封唇口的变形量、气穴现象、油膜轴向位置的影响以及不同轴转速时 泄漏率与月油膜轴向位置的联系。 f i l m 图1 7 月牙形油膜摄入密封区域简图【1 8 】 s a l a n t 和f l a h e r t y 1 9 ，2 0 】建立了弹流润滑模型来预测载荷支撑和泵吸率。这 个模型在j a g g e r 工作的基础上假设系统处于全膜润滑状态，试图验证由 k a m m i i l l e r 提出的泵吸机理。密封区域的密封圈表面被模拟为均匀正弦分布的 微波动或粗糙峰，而轴被看做是完全光滑的。通过使用m a s s 算法求解考虑空化 和淹没边界条件的雷诺方程，从而得到流体压力分布。密封圈的法向和切向变 形是使用影响系数计算得到的，而这些影响系数是通过离线有限元分析计算得 出的。最终通过迭代实现流体力学方程和变形方程的耦合。 s a l a n t 和s h i 2 1 】建立旋转轴唇形密封的弹性流体动力学数值模型模拟全膜 润滑和混合润滑状态下载荷支撑机理和密封机理。由于轴表面比油封唇表面光 滑许多，因此在该模型中把轴表面当作完全光滑的硬表面，而油封唇表面则被 当作完全弹性表面，其初始粗糙度样式用二维正弦的形式模拟。该模型包括流 体力学分析和油封唇变形分析，通过流体力学分析得到油膜的压力分布状况， 同时通过变形分析可得到油封唇的法向和切向变形。利用此模型预测了在轴不 同转速下油封的性能，例如粗糙峰的接触情况、空化现象和油封唇的剪切变形 等。 以前对旋转轴唇形密封的数值模拟都是用规则的周期性的结构来模拟密封 唇表面，例如一维或者二维的正弦形式。利用这种相对简单的结构来表示密封 区域密封唇表面被指出是- i o o 简化方式，而真实密封唇表面粗糙峰的分布是随 机的。s h i 和s a l a n t 2 2 】在他们的数值模型中使用了一个更为现实的半随机表面 粗糙度几何形状。他们生成的表面由指定平均粗糙度、相关长度和高斯分布的 随机粗糙度高度组成。他们将轴当作完全光滑并且假设密封唇发生完全弹性变 形。利用这个模型进行弹性流体动力学分析预测密封圈的运行性能，例如摩擦 系数、泵吸率、油膜厚度分布、流体动压力和接触压力分布、接触面积以及空 化面积等。他们的半随机模型的结果与之前公开发表文献中的实验结果相一致。 旋转轴唇形通常是在全膜润滑状态下运行。然而，在启动和停机过程中轴 转速较低，这时混合润滑发生了，密封唇表面的粗糙峰与轴发生接触。为了模 拟这一过程，d a w e is h e n 等【23 】建立混合软弹流润滑模型，此模型将密封区域分 为三个区域：流体区域、空穴区域和粗糙峰接触区域，如图卜8 所示。他对三 个区域进行逐一分析，通过求解考虑空化的雷诺方程来分析流体区域和空穴区 域，利用影响系数法计算密封唇的膨胀变形，同时将接触区模拟为赫兹接触进 行分析。利用这个模型模拟了转速为1 0 0 到1 1 0 0r m i n 这种低速状态下平均油 膜厚度、载荷支撑、接触载荷比、接触面积比、空化面积比以及泵吸率的变化 情况。 c = = = 图1 8 密封区域简图【2 3 1 应该指出的是，大部分理论和数值研究的模型中将轴表面看做是完全光滑 的，这是因为轴表面比油封唇表面要光滑很多，这一点已经得到了广泛的认可。 一般来说，轴表面的粗糙度r a 值是油封唇表面的十分之一。然而，实践经验表 明轴表面光洁度对于密封圈的密封效果有十分重要的影响。若轴表面粗糙度过 小，在油封唇与轴接触径向压力作用下，油很容易从密封接触面之间挤出来， 以致油膜变得很薄或者破裂，从而导致油封摩擦系数增大和唇口温度升高，引 起油封过早破坏。反之，轴表面粗糙度过大会由于粗糙度凹凸不平而造成油封 刃e l 被切削，导致急速磨损，产生泄漏。由此可见，轴表面太粗糙或太光滑都 会导致油封失效。美国橡胶制造商协会，德国标准d i n 3 7 6 0 3 7 6 1 以及国际标 准i s 0 6 1 9 4 1 对于轴表面粗糙度的范围做出了规定。 s a l a n t 和d a w e is h e n 2 4 】建立数值模型证实了轴表面粗糙度微小的波动会产 生较大的动力学影响。这主要是由于雷诺方程的非线性，当轴表面的粗糙度微 小变化时会引起平均油膜厚度分布发生较大变化，同时对载荷支撑和泵吸率产 生影响。h a j j a m 和b o n n e a u 2 5 】表明在数值模拟中选取合适的密封唇表面粗糙度 模型的重要性。他们研究了不同粗糙度数学模型对性能特征的影响，例如功率 损耗、油膜厚度、泵吸率和密封唇温度等。结果表明粗糙度模型的选取严重影 响了数值结果，但是他们并没有用实验数据验证他们的模型。 近年来，北京化工大学在该研究领域的模拟工作也取得了一些成果。2 0 0 6 年，李建国、丁玉梅等人基于a n s y s 软件建立了唇形密封的二维轴对称模型，分 析了唇形密封的最大接触压力及其分布情况与其腰厚、唇口平面到弹簧中心平 r 面的距离以及过盈量3 种重要参数的关系【26 1 。计算结果表明，油封静态条件下 的变形情况和v o nm is e s 应力分布情况与实际情况并无很大差别。油封腰部厚度 t ，油封尺寸，唇口接触宽度r 值以及唇部过盈量等参数对最大接触压力分布都 有显著地影响。2 0 0 7 年，他们又将油封的表面效应和结构效应的动密封理论作 为理论基础，基于a n s y s 软件模拟了密封介质在密封间隙中的流动情况【27 1 。分 析了轴的转速对由结构效应引起的泵吸率的影响以及油封唇口表面材料弹性纹 理的反旋段和顺旋段的差值( al ) 、转速对由表面效应引起的泵吸率的影响 作用。结果表明：当( l ) 值的增加及轴转速的提高时，由表面效应引起的泵 吸率随之增大，同时随着转速的提高，由结构效应引起的泵吸率随转之增大； 模拟与实验结果表现出较好的一致性，同时模拟结果表明利用有限元方法对该 流体进行分析是可行的。随后，王保森、何红【28 】等人利用大型有限元软件a n s y s 建立了油封的二维轴对称模型，分析了一些油封参数，例如：后唇角d 、过 盈量、r 值以及弹簧劲度对油封唇口压力大小及分布的影响。结果验证了设计者 在油封设计及选型方面的经验是正确的。 e l a s t o m c r r i g i dl s t c o u n t e r p a r t 图1 9 模型简图【2 9 】 2 0 0 8 年，以色列学者s h i n k a r e n k o 和k l i g e r m a n 【2 9 】等建立理论模型研究将表 面激光微造型技术( l s t ) 在软弹流润滑方面的应用。模型包含光滑的弹性表面 和激光进行微造型的硬表面( 如图1 - 9 所示) ，这两个表面在有粘性润滑油存在 的状态下相对运动。通过求解数值模型分析得出选取合适的凹坑面积密度和深 径比，可以增大承载能力同时减小摩擦力，对润滑具有十分积极的意义。 1 3 2 旋转轴唇形密封的实验研究 在径向唇形密封圈中，普遍认为密封是通过密封唇表面形成的微粗糙组织 实现的。最容易想到的是这些微粗糙峰是在最开始运行的几个小时内由于压力 和密封圈的磨损形成的。因此，这些微粗糙峰的形成与密封圈运行的具体条件 有密切的关系。p a i g e 和s t e p h e n s 】研究在一系列特定运行环境下密封唇表面 这些微粗糙峰的大小、形状以及数量，他们通过实验的方法利用扫描电镜，光 学显微镜以及三维轮廓仪表征这些微粗糙峰的样式。分析结果表明呈现在密封 表面的液体助泵组织显著影响微粗糙峰的形成。图卜10 显示了密封区域边缘微 的粗糙峰样式。同时他们还设计了测试径向唇形密封圈的实验。测试装置中轴 是由一个弹性挡圈和两个呈l8 0 。分布的定位销保持在上接合器里。这些定位销 限制轴的径向移动以及轴在接合器里的旋转。轴和接合器是对齐的，这样可以 使轴的中心线和接合器的中心线对齐。下接合器将密封圈固定在合适的位置， 如图卜1 l 所示。在唇形密封圈的金属骨架和下接合器的侧壁之间放置有硅橡胶 填充剂，这样可以抑制油液沿着密封圈的外侧泄漏到收集槽内。如果油液泄漏 到收集槽会影响到油封本身泄漏量的测量。定位销是用于抑制密封圈在接合器 内旋转。轴和密封圈是经过精确对准的，因此总偏心在给定的规格0 6 6m m 内。 图1 10 密封区域微 t h o m a sk u n t s f e l d 和w e r n e rh a a s 3 1 1 通过实验研究不同轴表面加工方法对 旋转轴唇形密封的影响，其中包括各种车削方式。由于车削比磨削成本低很多， 如果能通过车削来代替磨削达到预期的表面光洁度目标，那么将节省很多成本。 实验结果表明磨削和车削所加工的轴表面的性能十分相似。 o t t o 和p a t t e r s o n 3 2 1 通过设计旋转轴表面的几何形貌改善了润滑性能和泵 吸作用。图卜l2 ( a ) 显示的三角形表面形貌像水泵叶轮一样迫使润滑油流向左 侧，部分润滑油流过表面形貌本身。由于这种三角形表面纹理的形状而产生了 泵吸，并且这与旋转方向无关。他们认为由于润滑性能得以改善，因此这种类 型的表面纹理也可以增加承载能力和密封圈的寿命。由于缺乏这种表面纹理的 制造方法，因而这种设计的表面从未使用过。然而，最近肯尼基大学的轴承与 密封实验室已经开发出一种基于x 射线光刻和紫外线光刻的制造技术来制作这 些工程表面纹理。h a d i n a t a 和s t e p h e n s 3 3 】进行了数值分析研究各种几何形状的 微观表面形貌的弹性流体动力学效应。他们利用雷诺方程计算出三角形、方形、 六角形和圆形表面形貌的承载量、摩擦力以及泵吸量。六角形表面形貌如图 1 12 ( b ) 所示。当表面形貌高度在l 3 微米时表现出比较好的性能。这个高度 与橡胶密封唇的粗糙度是同一数量级的，在他们的模型中假设为光滑的。三角 形表面形貌的计算结果表明与s a l a n t 和f l a h e r t y 19 】的模型结果相比较摩擦力 降低了2 3 ，同时泵吸率增加了8 3 。这些设计的微观表面形貌表现出很好的理 论性能，但是通过实验核实数值分析的结果是非常必要的。 图1 1 2 旋转轴的表面形貌【3 3 】 ( b ) 不久后，w a r r e n 和s t e p h e n s 3 4 】通过实验验证了轴表面有微坑能够控制润滑 油泵吸方向并且增加泵吸率。实验中微坑的形状、面密度以及深度为定值，只 有微坑的方向是变化的。他们把油滴实验结果与常规密封中的结果作对比，例 如：普通不锈钢轴或者表面电镀镍，但是没有微坑的轴。结果表明轴表面带有 表面微造型能够控制泵吸方向并且通过使泵吸率增大为不锈钢轴的8 倍从而增 强密封能力，同时泵吸发生时摩擦力矩减小5 1 。当密封圈在润滑不足状态下 运行时微坑也能使摩擦力矩减小8 1 3 。 严洪洲、马国富和陈兵勇【3 5 m j 纳了影响旋转轴密封圈工作性能的因素，主 要包括材料影响因素、结构参数影响因素以及油封的使用环境。山东科技大学 的孙少俊、王景林1 3 6 】为了验证p t f e 的减摩效果，在旋转轴唇形油封上涂覆 。t dho口霸_oi。勺二!；蚺。盘oh芍皇o p t f e 涂层，进行了唇口磨损实验和摩擦力矩实验。在实验条件为干摩擦，轴 表面粗糙度为r a