往復(fù)式骨架油封溫度場的動態(tài)分析*

(青島科技大學(xué)機電工程學(xué)院 山東青島 266061)

往復(fù)式骨架油封用于往復(fù)運動件封油，如汽車減震器油封，在使用過程中會承受很大的壓力(0.8～1.3 MPa，瞬時壓力可達到2 MPa)，是一種使用很廣泛的密封件。往復(fù)式骨架油封的工作過程分為內(nèi)行程和外行程，在外行程中，潤滑油被活塞桿從密封腔體拖出并附著在活塞桿上；在內(nèi)行程中，附著在活塞桿上的潤滑油被拖回密封腔體。在一次往復(fù)行程內(nèi)，內(nèi)行程的流通量必須大于或等于外行程的流通量，以便將潤滑油泵送回密封腔體從而實現(xiàn)零泄漏[1-2]。

目前研究者主要采用有限元模擬的方法研究往復(fù)式骨架油封的性能，研究泵汲率和生熱量隨過盈量和往復(fù)速度的變化規(guī)律[3]，以及針對油封的損壞與泄漏問題，分析過盈量、往復(fù)速度、摩擦因數(shù)和流體壓力對油封唇口處等效應(yīng)力與接觸壓力的影響規(guī)律[4]。張佳佳等[5]利用FLUENT軟件分析了軸速、前后唇角、接觸寬度以及抱軸力等參數(shù)對油封摩擦面上溫度最大值的影響。

油封失效的主要原因是由唇口溫度過高引起的橡膠老化[6]，而以上文獻主要集中研究了油封的結(jié)構(gòu)參數(shù)和外界工況對油封性能的影響，但都沒有給出合理的取值范圍。因此，本文作者采用ABAQUS軟件模擬往復(fù)式骨架油封唇口處的溫度場，分析過盈量、流體壓力、往復(fù)速度和摩擦因數(shù)對油封唇口處溫度的作用規(guī)律，再依據(jù)所選橡膠材料的適用溫度范圍，得出過盈量、流體壓力、往復(fù)速度和摩擦因數(shù)的合理取值區(qū)間，從而提高往復(fù)式骨架油封的密封性能。

1 往復(fù)式骨架油封的有限元模型

1.1 往復(fù)式骨架油封的幾何模型

文中所選往復(fù)式骨架油封結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，為避免因素過多影響分析結(jié)果，在幾何建模時進行了簡化，由于往復(fù)式骨架油封的結(jié)構(gòu)和受力具有軸對稱性，因此往復(fù)式骨架油封可以簡化成如圖1所示的二維軸對稱模型。

文中分析的往復(fù)式骨架油封由金屬骨架、彈簧圈(包括主簧和副簧)以及橡膠體3部分構(gòu)成。

圖1 往復(fù)式骨架油封的結(jié)構(gòu)Fig 1 Schematic of reciprocating skeleton oil seal

金屬骨架主要起加強作用，它能使油封唇口保持形狀及張力不變；彈簧圈的主要作用是提供適當(dāng)?shù)膹较虮Ьo力，以利于密封介質(zhì)的密封和防塵，而文中僅考慮主簧作用[7]；密封唇是彈性橡膠體，主要作用是保持唇部與軸表面穩(wěn)定接觸。根據(jù)密封效果，密封唇可分為主唇、二道唇、防塵唇和封氣唇。其中密封作用依靠主唇來實現(xiàn)，也是文中分析對象，其他唇起輔助作用。

1.2 往復(fù)式骨架油封主唇處力學(xué)模型

往復(fù)式骨架油封主唇處受力示意圖如圖2所示。其中F1為主簧對主唇處的徑向力；p為密封流體對主唇處的壓力；F2為安裝過盈量對主唇處的預(yù)緊力。在此基礎(chǔ)上，建立往復(fù)式骨架油封的有限元模型，進而研究往復(fù)式骨架油封主唇處的溫度場分布。

圖2 主唇處受力示意圖Fig 2 Force diagram of main lip

1.3 往復(fù)式骨架有限元模型

1.3.1 材料模型

為了方便有限元模型求解，作出以下兩點假設(shè)：

(1)密封唇必須具有確定的彈性模量和泊松比；

(2)將活塞桿、主簧、副簧和骨架設(shè)為剛體[8]；

(3)密封唇表面光滑。

由于橡膠材料屬于不可壓縮的超彈性材料，而且本身具有非線性，因此，唇口在與活塞桿的過盈配合中會產(chǎn)生較大變形。文中采用Mooney-Rivlin模型描述橡膠材料的應(yīng)變能函數(shù)[9]，其應(yīng)變能密度函數(shù)為

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中:W為應(yīng)變能密度函數(shù)；C10和C01為Mooney-Rivlin材料系數(shù),均為正定常數(shù)；I1和I2為Green應(yīng)變張量的2個主不變量[10]。

文中設(shè)置往復(fù)式骨架油封的骨架、彈簧圈(包括主簧和副簧)以及活塞桿為剛體，其參數(shù)為：彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7.8×10-6kg/mm3，熱導(dǎo)率為45.4 W/(m·K)，比熱容為460 J/(kg·K)。唇口橡膠材料為丁腈橡膠，參數(shù)為：硬度70～90，適用溫度-60～180 ℃，密度1.2×10-6kg/mm3，熱導(dǎo)率0.25 W/(m·K)，比熱容1 700 J/(kg·K)。材料系數(shù)C10和C01可由單軸拉伸試驗或根據(jù)材料硬度計算得到[11]。已知丁腈橡膠材料硬度HA，將其代入E=(15.75+2.15HA)/(100-HA)和C10=E/6中，可得C10的值，再將C10代入C01=0.25C10中得C01的值[12]。文中取C10=1.87 MPa，C01=0.47 MPa[13]。

1.3.2 唇口處有限元模型

在ABAQUS軟件中進行往復(fù)式骨架油封的有限元分析時，建立如圖3所示的二維軸對稱模型。

圖3 唇口處有限元模型Fig 3 The finite element model of the lip (a)instroke; (b)outstroke

1.3.3 約束與載荷的加載

由于活塞桿的外徑略大于密封唇的內(nèi)徑，因此，兩者之間產(chǎn)生了過盈配合。文中采用如圖3所示的方式模擬兩者之間的過盈量，圖3(a)模擬內(nèi)行程，圖3(b)模擬外行程。約束往復(fù)式骨架油封外沿的所有自由度，模擬將其固定在缸筒內(nèi)所受約束；在主簧處施加等效集中力模擬往復(fù)式骨架油封主唇處所受預(yù)緊力F=10 N[14]；用速度約束來模擬活塞桿的往復(fù)運動；其中，唇口處的最大溫度受往復(fù)速度和運行時間的影響，故文中限制活塞桿的行程，使運行時間和往復(fù)速度這兩種因素的取值成對出現(xiàn)，即兩者的乘積總是相同的；對往復(fù)式骨架油封唇口處施加載荷模擬油壓對主唇處的作用力；對活塞桿與唇口的接觸處設(shè)置不同的摩擦因數(shù)來模擬不同的摩擦狀態(tài)。此外，還需對整體模型加載初始溫度場模擬室溫，其值為20 ℃；將橡膠主體的邊界設(shè)置成絕熱邊界。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 過盈量

往復(fù)式骨架油封安裝時需要過盈配合，這主要是為了使油封與活塞桿之間形成一個初始的預(yù)緊力。為了研究過盈量對油封主唇處最大溫度的影響，取過盈量為0.1～0.4 mm。

在過盈量為0.3 mm,往復(fù)速度為0.6 m/s,其他因素值一致的條件下，內(nèi)外行程中往復(fù)式骨架油封唇口處的溫度云圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，在內(nèi)行程中，唇口處的溫度分布較為分散，最大溫度值也相對較低；而在外行程中，唇口處的溫度分布比較集中，最大溫度值也較大。這說明，在外行程中油封唇口更容易出現(xiàn)灼傷和老化現(xiàn)象，造成油封損壞，甚至使油封唇口產(chǎn)生泄漏。

圖4 主唇處的溫度云圖Fig 4 The temperature nephogram of main lip (a)instroke; (b)outstroke

圖5顯示了在往復(fù)速度為0.6 m/s時，內(nèi)外行程中唇口最大溫度與過盈量的關(guān)系?？梢姡趦?nèi)外行程中，隨著過盈量的增大，唇口處的溫度升高；并且，相較于內(nèi)行程，外行程中唇口處的溫度隨過盈量的增加變化幅度更加明顯，溫度值也更高，這也說明往復(fù)式骨架油封唇口在外行程中更易受到損傷。

圖5 最大溫度隨過盈量的變化Fig 5 The maximum temperature under different interference (a)instroke;(b)outstroke

同時，根據(jù)文中選用的丁腈橡膠材料適用溫度范圍，進而可以得出在往復(fù)速度為0.6 m/s的條件下，不同摩擦因數(shù)f時過盈量的合理取值范圍。由圖5可知，在內(nèi)行程中，當(dāng)摩擦因數(shù)小于等于0.05時，與所選取的不同過盈量相對應(yīng)的溫度值均滿足往復(fù)式骨架油封的適用溫度范圍；當(dāng)摩擦因數(shù)大于0.05時，要想減少油封唇口因溫度過高造成損壞的概率，過盈量的取值應(yīng)盡量小一些；而當(dāng)摩擦因數(shù)為0.2時，與所選取的不同過盈量相對應(yīng)的溫度值均大于往復(fù)式骨架油封的適用溫度范圍。在外行程中，由于隨著過盈量的增加，唇口處的最大溫度具有更高的值，因此當(dāng)摩擦因數(shù)大于等于0.15時，無論過盈量如何取值，唇口處的溫度值均超過所選橡膠材料的許用溫度范圍。綜合考慮，為了保證往復(fù)式骨架油封具有良好的密封性能，過盈量的適宜取值為0.1～0.15 mm。

2.2 流體壓力

文中流體壓力的取值為0.8～1.3 MPa。

圖6給出了在過盈量為0.2 mm，往復(fù)速度為0.5 m/s，摩擦因數(shù)為 0.1、0.15的條件下，內(nèi)外行程中唇口處的最大溫度隨流體壓力的變化?？梢钥吹剑S著流體壓力的增加，內(nèi)外行程中唇口處的最大溫度增加；但在外行程中，唇口處的最大溫度隨流體壓力的增加變化幅度更大，最大溫度值也更高，這說明流體壓力越大，越容易使外行程中的往復(fù)式骨架油封唇口受到損傷，進而造成唇口泄漏，影響油封使用壽命。

圖6 最大溫度隨流體壓力的變化Fig 6 The maximum temperature under different sealing pressure (a)instroke;(b)outstroke

依據(jù)所選橡膠材料的適用溫度范圍，可得出在過盈量為0.1 mm，往復(fù)速度為0.5 m/s條件下，在內(nèi)行程中，流體壓力不論如何取值，唇口處的最大溫度均滿足所選橡膠材料的許用溫度范圍；而在外行程中，由于唇口處的最大溫度值較高，為避免高溫灼傷油封唇口，應(yīng)選用較小的流體壓力。綜合內(nèi)外行程可得，最適流體壓力為0.9～1.1 MPa。

2.3 往復(fù)速度

往復(fù)速度的大小影響唇口的生熱量，進而影響油封唇口的溫度，因此，往復(fù)速度對往復(fù)式骨架油封的密封性能有重要影響，文中往復(fù)速度的取值為0.3～1 m/s。

圖7示出了在過盈量為0.2 mm，流體壓力為1 MPa，不同摩擦因數(shù)f條件下，內(nèi)外行程中唇口處的最大溫度隨往復(fù)速度的變化?？梢钥闯觯S著往復(fù)速度的增加，內(nèi)外行程中唇口處的最大溫度均增加，這表明增加往復(fù)速度，會增加唇口處的溫度，進而損傷油封唇口并影響往復(fù)式骨架油封的密封性能。

從圖7中可以知道，內(nèi)外行程中唇口處的最大溫度近似呈正態(tài)分布，唇口處的最大溫度主要集中分布在速度為0.6 m/s或0.7 m/s的附近。因為在分析的過程中考慮到時間因素的影響，所以活塞桿運動時間越長，生熱量越多，唇口溫度越高；活塞桿運動時間越短，生熱量越少，唇口溫度越低。在分析的過程中由于限制了活塞桿的行程，因此，活塞桿的往復(fù)速度越大，運行時間就越短；活塞桿的往復(fù)速度越小，運行時間就越長。在一次往復(fù)行程內(nèi)，必然會出現(xiàn)一個中間值，這個時候往復(fù)速度不是最小，運行時間也不是最長，但兩者共同作用，就會使這一條件下往復(fù)式骨架油封唇口處的溫度出現(xiàn)驟升。正如圖7中所示，這表明文中分析的結(jié)果趨于實際化。

圖7 最大溫度隨往復(fù)速度的變化Fig 7 The maximum temperature under different the velocity (a)instroke;(b)outstroke

同時，觀察圖7還可以看出，在外行程中，隨著往復(fù)速度的增大，會使往復(fù)式骨架油封唇口處的溫度具有更大的增幅和更高的溫度，這表明，相較于內(nèi)行程而言，在外行程中，往復(fù)速度過快更容易造成唇口損傷，進而影響油封的使用壽命和密封性能，所以在使用過程中應(yīng)限制往復(fù)式骨架油封在外行程時的往復(fù)速度，盡量采用較小的往復(fù)速度，從而避免損壞油封唇口。

2.4 摩擦因數(shù)

為研究摩擦因數(shù)對唇口處溫度的影響，文中選取6種摩擦因數(shù)為0.001、0.05、0.1、0.15、0.2和0.25，得到了往復(fù)式骨架油封唇口處的溫度隨摩擦因數(shù)的變化曲線，如圖8所示。

圖8中往復(fù)速度為0.4 m/s，流體壓力為1 MPa的條件下，過盈量為0.2～0.4 mm。可見，隨著摩擦因數(shù)的增加，內(nèi)外行程中唇口處的最大溫度值均上升。與內(nèi)行程相比，在外行程中，往復(fù)式骨架油封唇口處的最大溫度具有更大的增幅，溫度值也更高，這表明摩擦因數(shù)越大，往復(fù)式骨架油封唇口處的最大溫度越高，進而影響往復(fù)式骨架油封的使用壽命。

圖8 最大溫度隨摩擦因數(shù)的變化Fig 8 The maximum temperature under different friction coefficient (a)instroke;(b)outstroke

參照文中所選丁腈橡膠材料的適用溫度范圍，可以得出，在內(nèi)行程中，與所選取的不同摩擦因數(shù)相對應(yīng)的唇口處的溫度值均滿足所選橡膠材料的適用溫度范圍，而在外行程中，當(dāng)過盈量為0.4 mm時，摩擦因數(shù)的取值應(yīng)小于0.15，以確保唇口處的最大溫度值不超過橡膠材料的適用溫度范圍。綜合來看，在這種參數(shù)設(shè)置下，最佳的摩擦因數(shù)取值應(yīng)為0.05～0.1。

3 結(jié)論

(1)過盈量、流體壓力、往復(fù)速度和摩擦因數(shù)這4種因素的增大，會使往復(fù)式骨架油封唇口的最大溫度值增加，均會影響往復(fù)式骨架油封的密封性能。同時，相對于內(nèi)行程，這4種因素對外行程中往復(fù)式骨架油封唇口處的最大溫度影響更大，使其具有更大的增幅以及更高的溫度值，這表明，由于溫度過高造成往復(fù)式骨架油封唇口損傷以致出現(xiàn)泄漏的現(xiàn)象更易發(fā)生在外行程，在實際使用時應(yīng)多加注意。

(2)依據(jù)所選橡膠材料的適用溫度范圍，再依照這4種因素對唇口最大溫度的影響，可以得出過盈量、流體壓力、往復(fù)速度和摩擦因數(shù)的合理取值區(qū)間。

(3)對于往復(fù)速度這一影響因素，因為在分析的過程中考慮了運行時間的影響，所以當(dāng)往復(fù)速度達到某一值時，往復(fù)式骨架油封唇口處的溫度會出現(xiàn)驟升現(xiàn)象。