旋转轴唇密封用动力回油的研究

旋转轴唇密封用动力回油的研究

嘴唇旋转调节（也称为弹簧密封）不仅可以防止滑油泄漏，还可以防止外部灰尘和其他材料入侵。由于结构简单紧凑，性能可靠，广泛应用于汽车、呼吸器和工程机械等领域。从20世纪60年代起,国内外研究者开展了大量关于油封密封机理的研究,提出了张力理论、边界润滑理论等。但直到20世纪80年代中期,钱德森、Kammüller和Müller在大量试验基础上先后提出核心内容相同的泵送理论后,油封的密封机理才得到普遍认同自20世纪90年代至今,研究者基于泵送理论针对密封唇刃口粗糙度和微波度等对密封性能影响的研究已经取得大量成果本文针对图1所示的典型油封结构,建立2维流体动力润滑模型,综合考虑流固热的耦合作用,研究轴表面微螺旋槽反向泵送效应的机理。1密封机理研究由油封密封机理可知,泵送效应来源于密封唇刃口微观粗糙组织的变形,而该变形由流体润滑膜的切向变形引起。当轴转速发生变化时,密封区的温度也会随之变化,通过改变润滑油的粘度进而影响泵送率。密封机理研究涉及到机械变形、温度和流场3个因素。图2给出了流、固、热3个因素之间的相互影响关系和参数传递路线。密封系统中包括3个研究对象:密封唇刃口、密封界面油膜和轴表面接触区。文中忽略密封唇刃口的表面微观形貌,假设为完全光滑表面,主要研究轴表面微槽的泵送效应,因此密封反向泵送率主要由轴表面微结构产生。2模拟理论方法2.1油封密封唇接触区有限元模型的建立针对密封唇主要是进行固体力学分析。基于有限元软件ANSYS进行静态变形分析,考虑材料的非线性和接触的非线性的影响,忽略轴表面微观结构、密封唇切向变形的影响,建立油封密封唇刃口/轴接触区2维轴对称有限元模型。通过静力分析可以获得刃口区的静态接触压力P2.2微槽和螺旋槽的加工对合金钢100Cr6加工而成的轴,进行表面硬化处理,并经过精加工获得足够光滑的表面。采用激光加工方法,在轴表面加工不同分布密度m(一个圆周上的微槽数目)、不同槽深A和不同升角θ的螺旋槽。采用3维非接触激光扫描电镜KeyenceVK-9700测量轴表面微观形貌2.3泵送率的影响轴转速n对密封接触区的温度分布影响显著,而温度的变化会引起润滑油粘度的变化,进而间接影响液膜压力分布,最终导致不同的泵送率。根据实验测量的温升随速度变化的经验公式和润滑油FAV3不同温度下的粘度数据,建立式(7)来模拟粘度和转速之间的关系。随着转速升高,温度增加,粘度以指数函数趋势下降,2.42维直角坐标系的reynolds方程油封工作状态下,密封区形成稳定的流体膜。因膜厚远远小于轴径,所以忽略轴径曲率的影响,建立2维直角坐标系下量纲为1的Reynolds方程,如式(8)所示。给定初始参数,即可求得压力分布P式(8)中:本文主要研究转轴速度的变化对粘度的影响。假设润滑油为不可压缩液体,但考虑到空化效应,认为:在液体区,Φ≥0,F=1,量纲为1的压力2.5双转台式五轴专业计算域的计算采用有限体积法求解Reynolds方程。图4为数值求解的计算域。计算域沿轴线方向(y向)长度为刃口和轴的接触区宽度L沿x方向计算域为一个周期,压力边界符合周期性边界条件,即对计算域采用100×200均布网格,基于ADI算法进行循环迭代,沿x和y向分别采用CTDMA和TDMA方法反向泵送率即从空气侧到贮油侧的流量,由式(10)沿圆周积分可得3轴向压力分布的结果y本文采用的油封结构主要几何参数包括:轴径D=80mm,轴表面微螺旋槽结构参数为:槽深A=1500nm,升角θ=25°,m=2500。主要操作参数如下:P图5给出了液膜压力3维分布图(图中x方向给出了两个周期的结果)。由图5可知,压力分布受轴表面螺旋槽几何特征的影响,和图3具有相同的分布规律,沿螺旋槽方向分布,空化区约占39.2%。以y=0.03mm位置为例,图6为沿圆周方向两个周期内膜厚和压力的对比曲线。由图6可知,在液膜的下降沿,运动流体将受到挤压而产生动压力,导致压力升高;此后当液膜保持不变时,压力逐渐减小;随后流体在液膜上升沿发生空化效应。由式(10)计算可得轴向的流量Q=157.4g/h。Q为正值。根据坐标系定义可知,该油封结构可以将润滑油从空气侧泵送到贮油侧,具有反向泵送效应,并因此实现零泄漏密封。对于无压油封,转速是影响泵送率的主要因素之一。图7为转速对泵送率的影响曲线,并给出了和实验测量结果4油封的物理模型为了研究轴表面微观形貌对反向泵送效应的影响,以轴表面加工微螺旋槽的旋转轴唇密封为例,建立数学模型,基于有限元静力分析理论,研究微螺旋槽的泵送效应,主要结论如下:1)对轴表面微螺旋槽建立了等效函数模拟其几何特征,以方便讨论微螺旋槽槽深、升角、分布密度等对密封性能的影响。2)建立了油封结构的2维轴对称有限元模型。该模型既可以计算密封区接触压力和静力变形影响系数矩阵,也可以用于研究密封唇宏观几何结构参数对密封区力学性能的影响。3)综合考虑了密封界面流场、温度和机械变形等因素之间的耦合作用,建立的数值求解算法适合于各种油封问题的研究。本文虽然只讨论了泵送率,但也可对密封的摩擦特性展开研究。4)油封轴表面微螺旋槽具有反向泵送效应,随着转速升高,泵送率增大。为了获得动力回油效应,目前普遍采用的方法是在密封唇上加工微结构,但是对加工工艺有很高要求,并且由于密封唇通常采用橡塑材料,