基于流固耦合的旋轉(zhuǎn)軸唇型油封流場特性及泵汲率研究

溫智煒，閆素英，蘇世良，李霽舟

（1.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，呼和浩特 010051）

0 引言

橡膠旋轉(zhuǎn)軸唇型油封廣泛應(yīng)用在工業(yè)界相關(guān)機(jī)械設(shè)備上，具有防止?jié)櫥黧w泄漏及排除污染物的功能［1-2］。在油封唇部加入回油溝設(shè)計能大幅增加油封唇部的密封性能，把密封流體送回油側(cè)而不致漏油。評價一個密封件的密封性能主要有2個方面：泵汲率與生熱量。泵汲率越大，生熱量越小，則密封件的密封性能越好，影響油封性能的因素較多，但最終的因素可以歸結(jié)為密封件密封區(qū)域接觸壓力的分布，因此，合理的壓力及流場分布對密封件的密封至關(guān)重要［3-5］。僅通過試驗判斷油封的設(shè)計是否合理，是一種成本較高且效率低的方法，而通過數(shù)值仿真可為試驗提供方向，減少試驗次數(shù)以及試錯成本［6-7］。

相關(guān)學(xué)者也對其進(jìn)行了一系列研究，包括抱軸力唇口變形對油封生熱和泵汲率的影響、材料模型對油封唇口接觸參數(shù)的有限元分析以及混合潤滑數(shù)值模型的油封結(jié)構(gòu)優(yōu)化等［8-11］。而本文通過試驗與數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，構(gòu)建基于流固耦合的旋轉(zhuǎn)軸唇型油封，對其進(jìn)行流場、唇部應(yīng)力、變形及其影響因素分析，以期為橡膠旋轉(zhuǎn)軸唇型密封的設(shè)計與優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 唇形密封結(jié)構(gòu)與數(shù)值模型

具有回油溝的唇形密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由橡膠本體、金屬環(huán)、拉伸彈簧組成，其中金屬環(huán)為油封的骨架，可增加油封的剛性，油封唇部接觸軸部位的壓力按照幾何角度形狀分布，拉伸彈簧提供油封唇部一定的預(yù)緊力，并依據(jù)軸的轉(zhuǎn)速及軸的偏心選擇。油封裝配軸徑為36 mm，孔徑52 mm，油封寬度為10 mm。回油溝形式為L型，采用右旋設(shè)計，此密封元件包含70條回油溝，等間距且成斜紋狀排列在唇部空氣側(cè)斜邊上，為單向旋轉(zhuǎn)軸所使用的密封元件?；赜蜏细叨阮^尾分別為0.1，0.2 mm，寬度為0.2，0.4 mm，回油溝與唇尖角度為30°。

圖1 回油溝唇形密封結(jié)構(gòu)示意

基于該回油溝唇形密封結(jié)構(gòu)，采用有限元軟件建立的三維油封數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示，模型尺寸與實際試件的比例為1：1，內(nèi)徑為36 mm，外徑52 mm，高度為10 mm。計算區(qū)域的總網(wǎng)格數(shù)為342 715，其中流體部分為199 367，固體部份為143 348，網(wǎng)格加密處分布在接觸寬上的微小油膜上，經(jīng)網(wǎng)格多次加密處理，在不影響計算結(jié)果的前提下，得出最小間隔為0.43 μm，以便能精確求得在接觸寬上的變化。試驗所用的潤滑流體密度及黏性系數(shù)分別為875 kg/m3和0.125 Pa·s，泵汲率由油側(cè)出口網(wǎng)格面上速度向量與面積的內(nèi)積得到。在初始數(shù)值計算中，根據(jù)實際材料的參數(shù)，橡膠-橡膠及橡膠-旋轉(zhuǎn)軸間的摩擦系數(shù)分別設(shè)定為0.45及0.23。彈簧幾何視為圓柱形剛體，其線性彈簧力作用在橡膠軸向中心與彈簧圓柱幾何中心連線上。其彈性系數(shù)為2.9 N/mm，張力為14.07 N。利用CFD軟件模擬油封唇部在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)條件下的流場特性，并將數(shù)值計算的泵汲率結(jié)果與回轉(zhuǎn)測試機(jī)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)而驗證數(shù)值仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性［12-14］。

圖2 三維油封數(shù)值模型及網(wǎng)格劃分

2 試驗裝置與方法

試驗測試裝置中油槽由旋轉(zhuǎn)軸及油封配置，分為入油口和出油口2個區(qū)域，入油口不斷補(bǔ)油，出油口測量漏油，兩側(cè)油槽內(nèi)充滿潤滑流體，密封元件本身的回油能力可將潤滑油由補(bǔ)油側(cè)推向測油側(cè)。泵汲率的測量原理為，當(dāng)油封正裝且密封正常時，空氣側(cè)泵回油側(cè)的潤滑油量大于油側(cè)向空氣側(cè)的泄漏量，因此將油封反裝，測量潤滑油每小時的泄漏量，此泄漏量即為油封的泵汲率。在泵汲率測量過程中，將具回油溝唇型油封鑲嵌在回油測試機(jī)臺中，一開始在空氣端及油端和橡膠與軸的空隙中均充滿潤滑流體。參考文獻(xiàn)［15-16］中的模型，油膜厚度初始條件設(shè)定為2.2 μm。在流體的條件設(shè)定中，油端和空氣端的壓力值均設(shè)為一個大氣壓。橡膠頂端為靜止固定端，底部設(shè)定為旋轉(zhuǎn)面，轉(zhuǎn)速大小為1 000～6 000 r/min。在鄰近流體的固體壁面上設(shè)為零正向壓力梯度。每個轉(zhuǎn)速測試時均使用全新的油封，安裝在軸上旋轉(zhuǎn)15 min后，再進(jìn)行測量。潤滑流體使用發(fā)動機(jī)機(jī)油，其密度為875 kg/m3，黏滯系數(shù)為 0.125 Pa·s。

3 結(jié)果與討論

3.1 泵汲率數(shù)值計算與試驗結(jié)果對比

數(shù)值仿真模型采用流固耦合模型和剛體模型2種，剛體模型接觸寬度上的油膜厚度為定值，結(jié)構(gòu)與流體相互獨立，流固耦合模型的流體作用于結(jié)構(gòu)變形，結(jié)構(gòu)變形反作用于流體，為雙向作用。為驗證數(shù)值仿真的準(zhǔn)確性，以泵汲率為評價指標(biāo)進(jìn)行試驗分析。圖3示出流固耦合模型、剛體模型及測試試驗，在1 000～6 000 r/min轉(zhuǎn)速下的泵汲率結(jié)果。從圖中可看出，轉(zhuǎn)速低于4 000 r/min時，數(shù)值計算值與試驗值大致隨著轉(zhuǎn)速的提高而呈線性增加。在轉(zhuǎn)速高于4 000 r/min時，試驗結(jié)果顯示，泵汲率隨轉(zhuǎn)速提高會有驟然增大的現(xiàn)象，不再是線性關(guān)系，流固耦合模型的數(shù)值計算結(jié)果與試驗值相吻合。而剛體模型由于接觸寬度上的油膜厚度為定值，不會隨著轉(zhuǎn)速改變，所以在轉(zhuǎn)速1 000～6 000 r/min范圍內(nèi)，唇形密封的泵汲率一直呈線性增加趨勢。在轉(zhuǎn)速6 000 r/min 時，流固耦合模型的泵汲率計算值與試驗值誤差僅為2.8%，而剛體模型卻有26.4%的誤差，由此驗證了在高轉(zhuǎn)速下，流固耦合模型比剛體模型具有更為精準(zhǔn)的預(yù)測結(jié)果。

圖3 泵汲率隨轉(zhuǎn)速變化的數(shù)值計算與試驗結(jié)果

3.2 壓力場與流場對比分析

圖4示出轉(zhuǎn)速6 000 r/min 時旋轉(zhuǎn)軸面上的壓力分布，圖4（a）示出剛體模型的結(jié)果，圖4（b）示出流固耦合模型的結(jié)果。從圖中可看出，在回油溝與接觸寬交接處附近出現(xiàn)壓力最大值，這是由于潤滑流體因旋轉(zhuǎn)軸摩擦力所形成的切線剪應(yīng)力引起的，并且順著旋轉(zhuǎn)方向到達(dá)油溝的迎風(fēng)面處而形成高壓累積。另外，在剛體模型中壓力最高值比流固耦合模型高，此現(xiàn)象可用油膜的變化來解釋，流固耦合模型由于變形的原因，油膜厚度會被累積的高壓而提高，當(dāng)油膜厚度增大后，原本高壓的累積得到釋放，但剛體的油膜厚度為固定值，所以壓力均集中在回油溝的交接處。

圖4 旋轉(zhuǎn)軸面壓力分布

圖5（a），（b）分別示出轉(zhuǎn)速6 000 r/min時的回油溝與唇部交接處附近的速度分布和接觸寬面寬度潤滑油膜的放大切面速度矢量。比較剛體模型與流固耦合模型的流場分布，可看出兩者的速度向量及油膜厚度均有較大的差異，剛體模型的油膜厚度維持在2.2 μm 左右，而流固耦合模型由于變形的原因，厚度增大到3.1 μm左右，由于厚度的增大，造成因壓力差所泵回油端的油明顯增多，所以有較大的泵汲率。在速度方面可以看到圖中的回油方向速度比軸旋轉(zhuǎn)速度小很多。

圖6 回油溝與唇部附近速度分布和接觸面寬度潤滑油膜的放大切面速度向量

3.3 油膜厚度分析

圖6示出不同轉(zhuǎn)速下接觸寬上的油膜厚度分布，從上而下分別為6 000，4 000，2 000 r/min的結(jié)果，從圖中可明顯看出在高轉(zhuǎn)速下有較厚的油膜厚度。轉(zhuǎn)速6 000 r/min時油膜厚度的最大值在接觸寬上靠近空氣端的地方，大約為3.17 μm。在低轉(zhuǎn)速下油膜厚度分布則較為平均。為更加了解油膜厚度對油封性能的影響，繪制接觸寬度上在不同轉(zhuǎn)速下（1 000～6 000 r/min）的平均油膜厚度曲線，如圖7所示，從圖中可看出平均油膜厚度會隨著轉(zhuǎn)速增加而增大，且在4 000 r/min后上升的幅度更明顯。油膜厚度增大可釋放接觸寬上的流阻，因而形成較大的泵汲率。這與Shi的研究結(jié)果相一致［13］。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下接觸寬上的油膜厚度分布

圖7 不同轉(zhuǎn)速下接觸寬上的平均油膜厚度分布

3.4 周期性與回油現(xiàn)象分析

上述探討均以單個回油溝進(jìn)行分析，為證實唇形密封圈整圈油封（70條回油溝）具有周期性現(xiàn)象，圖8（a），（b）分別示出接觸寬度處轉(zhuǎn)速6 000 r/min時連續(xù)3片回油溝的油膜厚度及壓力分布圖。從圖中可看出，3片回油溝在油膜厚度及壓力分布上均有較高的重復(fù)性，各單個回油溝幾乎具有同樣的性質(zhì)，所以上述以單片回油溝來分析壓力、速度及變形量是可行且準(zhǔn)確的。

圖8 連續(xù)3條回油溝油膜厚度與壓力分布

3.5 影響因素分析

3.5.1 回油溝高度與寬度影響

不同回油溝高度下的數(shù)值計算結(jié)果如圖9（a）所示，從圖中可看出，回油溝高度越大，所產(chǎn)生的泵汲率越高，當(dāng)回油溝高度增加25%時，相對應(yīng)的泵汲率提升約50%。利用數(shù)值仿真觀察壓力場變化，解釋其物理機(jī)制。如圖9（b）所示，當(dāng)回油溝高度由0.1 mm增加至0.125 mm時，旋轉(zhuǎn)軸面最高壓力增加將近3個大氣壓，約提升35%。由此可知，回油溝高度的增加有助于高壓累積，增加了空氣側(cè)與油側(cè)的壓差，造成流速加快，單位時間內(nèi)將有較大流量通過油膜，因此泵汲率增加。

圖9 泵汲率與壓力隨回油溝高度變化

回油溝寬度對泵汲率也有一定的影響，通過改變回油溝寬度，進(jìn)而改變接觸寬大小，回油溝越寬，則接觸寬也隨之增加?；赜蜏蠈挾扰c泵汲率關(guān)系如圖10所示，結(jié)果顯示，增加回油溝寬度，會有較小的增大趨勢。當(dāng)回油溝寬度增加25%時，泵汲率僅提升約4%，雖然回油溝長度或?qū)挾仍黾訒r，均能增大泵汲率，但在相同的參數(shù)變動率下，接觸寬度對泵汲率影響不如接觸高度大，其對提升泵汲率的效果較不明顯。因此，在設(shè)計改良回油溝時可利用此趨勢進(jìn)行參數(shù)調(diào)控，以獲得更佳的回油效果，抑制泄漏。

圖10 回油溝寬度與泵汲率關(guān)系

3.5.2 回油溝與唇尖角度影響

利用創(chuàng)建的流固耦合數(shù)值仿真模型，在相同旋轉(zhuǎn)軸徑、操作條件及潤滑流體情況下，改變回油溝角度探討對泵汲率的影響。結(jié)果如圖11所示，從圖中可看出，回油溝角度增大時，泵汲率呈現(xiàn)遞減趨勢；當(dāng)回油溝角度減少25%時，泵汲率大約提高50%。這是由于改變回油溝角度時，間接改變了接觸面積；角度變小時，使得接觸長度隨之增加，但接觸寬度并未改變，提高了空氣側(cè)阻擋流體的效果，進(jìn)而提升泵汲率。因此，若達(dá)到較佳的回油效果，不僅可增加回油溝高度，也可減小回油溝角度，兩者都具有改變接觸面積的作用。

圖11 回油溝與唇尖角度關(guān)系

4 結(jié)論

（1）流固耦合模型預(yù)測的泵汲率比剛體模型更接近試驗值，相比于剛體模型，流固耦合模型在高旋轉(zhuǎn)速度下，考慮了流固耦合引起的變形，使得油膜厚度變大，進(jìn)而產(chǎn)生更大的泵汲率。

（2）回油溝長度或?qū)挾仍黾訒r，均能增大泵汲率，但在相同的參數(shù)變動率下，接觸寬度對泵汲率影響不如接觸高度大，回油溝角度增大時，泵汲率呈現(xiàn)遞減趨勢。

（3）采用數(shù)值仿真技術(shù)，構(gòu)建流固耦合模型預(yù)測旋轉(zhuǎn)軸唇形密封流場特性及泵汲率，為優(yōu)化密封特性提供理論依據(jù)。