考慮溫度影響時(shí)具有表面紋理唇形油封的密封性能研究

張付英，楊俊梅*，水浩澈，董城城

(1． 天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222； 2． 天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計(jì)與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222)

旋轉(zhuǎn)軸唇形油封是應(yīng)用最廣泛的旋轉(zhuǎn)軸密封之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、密封性能好等優(yōu)點(diǎn)[1].靜止時(shí)，因旋轉(zhuǎn)軸和油封之間的過盈配合，油封唇部緊緊挨著旋轉(zhuǎn)軸，保證了潤(rùn)滑油不泄漏[2]；軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于油封的反向泵汲效應(yīng),油封唇部和軸接觸區(qū)域會(huì)形成一層很薄的油膜，防止?jié)櫥托孤┎p少接觸區(qū)域的摩擦生熱.因此，泵汲率是衡量油封密封性能的一個(gè)重要指標(biāo)[3].泵送理論認(rèn)為油封的反向泵汲效應(yīng)是由粗糙峰產(chǎn)生的，油封唇部系統(tǒng)微觀規(guī)則的表面織構(gòu)(即離散的溝槽或紋理)對(duì)提高油封的密封性能有重要作用.SHEN等[4]研究了不同密封表面粗糙度類型的組合對(duì)泵汲率的影響.GUO等[5]通過數(shù)值方法研究了軸上三角形、圓形、正方形等微凹坑紋理對(duì)油封密封性能的影響，證明三角形紋理能產(chǎn)生更大的泵汲效應(yīng).

但表面紋理形貌在改善油封密封性能的同時(shí)，也增加了油封接觸面間的摩擦.海因茨等[6]認(rèn)為正常工作的油封產(chǎn)生熱量主要來(lái)自接觸面間的摩擦.文獻(xiàn)[7-8]證明了密封環(huán)表面加工圓形凹坑織構(gòu)后增大了摩擦系數(shù).摩擦熱會(huì)使唇口溫度急劇升高，加速唇口部位的老化和變硬，對(duì)油封的密封性能和使用壽命都產(chǎn)生很大影響[9].所以，表面紋理在有效改善密封性能的同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一定的不利影響.

文中基于流量因子統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立的粗糙油封混合潤(rùn)滑方程與能量方程耦合，通過Matlab編程計(jì)算唇部具有表面微凹坑紋理油封在接觸區(qū)域的軸向溫度分布情況,研究不同轉(zhuǎn)速下接觸區(qū)域的最高溫度以及溫度升高對(duì)具有表面紋理的油封密封性能的影響.

1 油封的結(jié)構(gòu)參數(shù)和表面紋理模型

1.1 油封的結(jié)構(gòu)參數(shù)及模型

旋轉(zhuǎn)軸唇形油封有很多類型,其作用是防止?jié)櫥偷男孤┮约芭懦諝?、水、灰塵等污染物[10].文中研究選取的油封為帶彈簧的內(nèi)包金屬骨架型，由耐油橡膠、金屬骨架、緊固彈簧3部分組成，其型號(hào)為60 mm×80 mm×8 mm，油側(cè)唇角為45°，空氣側(cè)唇角為25°.油封與軸之間為過盈配合，過盈量為0.3 mm，軸徑d=60 mm.油封的主體材料是丁腈橡膠(NBR)，油封的徑向截面圖如圖1所示.

圖1 徑向唇形油封示意圖Fig.1 Schematic of radial lip seal

1.2 油封唇口表面織構(gòu)參數(shù)及模型

考慮到油封工作時(shí)，軸上設(shè)置微織構(gòu)形貌易引起密封的磨損，表面紋理形貌設(shè)置在油封唇部，并且研究了等邊三角形、圓形、正方形3種表面紋理形貌.由于微凸體表面形貌可能會(huì)在油封靜置時(shí)引發(fā)潤(rùn)滑油液的泄漏，因此,采用微凹坑形式的表面紋理.圖2為油封密封區(qū)域的局部放大圖，其中h為油膜厚度，Ly為油封與軸的接觸寬度，數(shù)值從油封的有限元模型中提取.微凹坑紋理設(shè)置為繞唇端部平行排列的兩行,如圖3所示.

圖2 油封密封區(qū)域示意圖Fig.2 Schematic of sealing area

圖3 油封唇部紋理分布圖Fig.3 Texture distribution on oil seal lip

3種形狀的表面紋理在尺寸設(shè)計(jì)上采用面積相近的原則，3種表面紋理在唇端部?jī)蓚?cè)的重心固定，依次整齊排列，如圖4所示.3種紋理的具體尺寸如表1所示，其中dw為深度.因紋理尺寸較小，且其深度與粗糙度值相差較小，所以在運(yùn)算過程中不考慮唇口變形對(duì)紋理的影響. 唇口表面紋理可采用激光微加工技術(shù)制造[11].

圖4 唇部表面紋理示意圖Fig.4 Schematic of lip surface texture pattern

表1 表面紋理形狀參數(shù)Tab.1 Texture shape parameters μm

2 油封的數(shù)值計(jì)算模型

2.1 油封流體力學(xué)雷諾方程的建立

雷諾方程是求解流體問題的基本公式，一般彈性流體動(dòng)力學(xué)問題采用一維雷諾方程，而旋轉(zhuǎn)軸密封系統(tǒng)采用二維雷諾方程.油封穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)，由于唇口表面粗糙峰產(chǎn)生的流體動(dòng)壓效應(yīng)而使油封處于全油膜潤(rùn)滑狀態(tài)，但油膜壓力低于溶解氣體飽和蒸氣壓時(shí)就會(huì)發(fā)生空化，所以建立考慮表面粗糙度和混合潤(rùn)滑狀態(tài)的二維平均雷諾方程[12]，計(jì)算公式為

(1)

式中：X為量綱一周向坐標(biāo)；Y為量綱一軸向坐標(biāo)；φx為圓周方向的壓力流量因子；φy為軸向的壓力流量因子；φS為剪切流量因素；ζ為量綱一周向速度；H為油膜厚度；F為空化指數(shù)；Φ為量綱一壓力p的通用變量.

雷諾邊界條件：Y方向，pY=0=psealed,pY=1=1；X方向p周期性變化，即px=0=px=1，所有節(jié)點(diǎn)位置p≥0.

2.2 接觸力學(xué)分析

接觸力學(xué)分析即求解油封的接觸壓力，當(dāng)密封耦合面流體處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)，必然存在唇口粗糙峰接觸，唇口粗糙峰接觸壓力的影響不能忽略，文中粗糙峰接觸壓力的計(jì)算公式為

(2)

式中：σ為粗糙度，取值1μm；ζ為集成的虛擬變量.

2.3 變形力學(xué)分析

油封的變形力學(xué)分析是利用影響系數(shù)法，通過建立油封的有限元模型獲取油封受力后的變形影響系數(shù)后計(jì)算其徑向變形，進(jìn)而求得油封潤(rùn)滑區(qū)域的油膜厚度，其計(jì)算公式為

(3)

式中：Hw為紋理結(jié)構(gòu)參數(shù)，是將紋理深度及形狀尺寸編輯為36×36的矩陣形式代入油封變形公式中；Hs為靜態(tài)油膜厚度；(I)ik為徑向變形影響系數(shù)矩陣,psc為靜態(tài)接觸壓力，均由有限元分析獲得，有限元建模過程中采用2項(xiàng)參數(shù)的Mooney-Rivlin模型描述橡膠的力學(xué)性能，材料常數(shù)C10=0.738 9，C01=0.184 7.

劃分網(wǎng)格時(shí)，各部件都采用 C3D8R八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元.由于運(yùn)行過程中唇部會(huì)發(fā)生變形，要單獨(dú)劃分極其精密的網(wǎng)格，以保證結(jié)果的精確性.

pt為總壓力，計(jì)算公式為

pt=pc+pavg,

(4)

式中：pavg為平均流體壓力.

2.4 泵汲率、摩擦扭矩計(jì)算

密封區(qū)域所產(chǎn)生的泵汲行為可以抵消油液從腔體泄漏的趨勢(shì)，從而阻止泄漏，所以制造商一般都通過油封的泵汲率來(lái)評(píng)定其密封性能[11].油封的泵汲率計(jì)算公式為

(5)

衡量油封密封性能的另一個(gè)重要指標(biāo)就是摩擦扭矩，摩擦扭矩可以反映密封表面的磨損程度，同時(shí)，摩擦扭矩過大也說(shuō)明會(huì)產(chǎn)生大量的摩擦熱[13]，摩擦熱的集聚會(huì)造成密封材料老化，進(jìn)而影響密封性能.摩擦扭矩計(jì)算公式為

(6)

式中:ff為摩擦力;D為軸直徑.

2.5 油封唇口溫度數(shù)值模型建立

流體流動(dòng)過程中遵循能量守恒定律.根據(jù)具體研究問題的不同，針對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行油封唇口溫度分布的模擬計(jì)算，可對(duì)模型進(jìn)行以下簡(jiǎn)化[14]：① 潤(rùn)滑油為牛頓流體；② 潤(rùn)滑油的比熱容c為常數(shù)；③ 忽略油封側(cè)熱量的傳遞.

由此可得，求解油封唇口溫度分布的能量守恒方程為

(7)

式中：k為熱傳導(dǎo)系數(shù)；T為溫度；S為內(nèi)熱源.

油封接觸區(qū)域中壓力以及溫度場(chǎng)的變化導(dǎo)致流體黏度的改變.文中采用黏壓-黏溫方程[15]計(jì)算流體黏度，即

(8)

式中：μ0為初始黏度；θ為流體密度與初始密度的比值；T0為初始溫度；z0，s0分別為與壓力和溫度有關(guān)的系數(shù).

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 數(shù)值計(jì)算基本參數(shù)及計(jì)算流程

建立的油封模型基本參數(shù)如下：油封表面粗糙峰半徑r=1 μm；黏度μ0=0.043 Pa·s；環(huán)境壓力pa=0.1 MPa；接觸區(qū)域軸向長(zhǎng)度Ly=0.251 5 mm；單周期內(nèi)周向長(zhǎng)度Lx=0.0942 mm；熱傳導(dǎo)系數(shù)k=5×107W/(m2·K);比熱容c=2000J/(kg·K).

文中建立的油封混合潤(rùn)滑模型耦合了二維雷諾方程、變形力學(xué)分析、接觸力學(xué)分析、溫度能量方程及黏度方程，在Matlab中編寫程序迭代求解，求解過程中首先輸入油封的基本運(yùn)行參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)，預(yù)設(shè)1個(gè)油膜厚度及初始溫度，求解雷諾方程計(jì)算流體壓力分布，接著進(jìn)行變形力學(xué)分析，通過反復(fù)迭代收斂后將流體壓力及油膜厚度帶入能量方程中求解溫度分布，最后進(jìn)行泵汲率及摩擦扭矩的計(jì)算，具體流程如圖5所示.

圖5 數(shù)值計(jì)算流程圖Fig.5 Flow chart of numerical computation

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

在油封工作過程中，接觸區(qū)域的摩擦熱會(huì)加速橡膠材料的變形和老化，過早導(dǎo)致油封失效.因此，研究密封唇口的最高溫度Tmax進(jìn)而把溫度控制在許用溫度范圍內(nèi)，對(duì)延長(zhǎng)油封的使用壽命具有重要的意義.圖6為轉(zhuǎn)速n從400升到1 800 r/min時(shí)，油封唇口最高溫度的變化情況.顯然，隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦生熱量增加，唇口最高溫度也逐漸增大.在旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)行過程中，密封腔體中潤(rùn)滑油液也隨旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，靠近旋轉(zhuǎn)軸的潤(rùn)滑油旋轉(zhuǎn)速度較大，而遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸的潤(rùn)滑油旋轉(zhuǎn)速度逐漸降低甚至接近于0，在黏性作用下潤(rùn)滑油整體的旋轉(zhuǎn)速度低于旋轉(zhuǎn)軸，隨著旋轉(zhuǎn)速度增加，這一差距增大，導(dǎo)致油封的散熱量低于摩擦生熱量，摩擦熱積聚，溫度最大值也逐漸升高[16].具有表面紋理的油封隨著轉(zhuǎn)速增大，最高溫度值較普通油封高，這是由于油封唇部紋理明顯增加了摩擦熱.由于3種紋理面積近似相同，其最高溫度沒有明顯差異.

圖6 不同轉(zhuǎn)速下唇口最高溫度變化情況Fig.6 Variation of maximum lip temperature at diffe-rent rotational speeds

圖7為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)油封唇口接觸面軸向溫度Ta分布情況，圖中溫度值為將密封區(qū)域內(nèi)每個(gè)軸向節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的周向節(jié)點(diǎn)上的溫度值求均值后得到的，摩擦面的溫度從兩側(cè)向中間急劇遞增.這是因?yàn)榭諝庖约皾?rùn)滑油的散熱作用使兩端溫度明顯降低，軸向節(jié)點(diǎn)右側(cè)即潤(rùn)滑油側(cè)溫度比空氣側(cè)更低，這是因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油側(cè)的散熱效果比空氣側(cè)好所致.具有表面紋理的油封在紋理區(qū)域溫度明顯比普通油封高，最高溫度發(fā)生在接觸區(qū)潤(rùn)滑油側(cè)紋理區(qū)域，具有紋理的油封最大溫度平均值為309.7 K，而普通油封的最大溫度平均值為309.3 K，唇部紋理在改善油封密封性能的同時(shí)，明顯增加了接觸面的摩擦.

圖7 油封唇口溫度分布Fig.7 Temperature distribution in oil seal lip

圖8-11所示為旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速在1 600 r/min時(shí)，溫度升高對(duì)具有表面紋理油封密封性能的影響.隨著溫度升高，油封的泵汲率降低，在溫度升高到320 K時(shí)，具有圓形紋理的油封泵汲率Q吸最先低于0，說(shuō)明油封可能會(huì)發(fā)生泄漏；且3種紋理形狀中，具有三角形紋理的油封產(chǎn)生的泵汲率最大，具有圓形紋理的油封產(chǎn)生的泵汲率最小，但均比無(wú)紋理油封的泵汲率大，說(shuō)明表面紋理有效地提高了油封的潤(rùn)滑性能，這一結(jié)果與作者前期研究成果相符合.

圖8 泵汲率隨溫度的變化情況Fig.8 Variation of pumping suction rate with temperature

溫度升高，會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑油的黏度下降，從而降低油膜厚度，影響油封的密封性能.當(dāng)量綱一油膜厚度H量綱一大于3時(shí)，油封處于全油膜流體潤(rùn)滑狀態(tài)，從圖9可以看出，溫度上升到325 K時(shí)，量綱一油膜厚度雖然持續(xù)減小，但始終大于3，油封處于全油膜流體潤(rùn)滑狀態(tài)，但泵汲率的降低，會(huì)造成潤(rùn)滑油的泄漏.相比于泵汲率，溫度對(duì)具有紋理油封的油膜厚度影響較小.圖中具有正方形紋理的油封明顯比另外2種油封的膜厚數(shù)值大，說(shuō)明正方形紋理對(duì)油封的潤(rùn)滑性能具有良好的改善作用，同時(shí)，唇部表面具有紋理的油封都比普通無(wú)紋理油封具有更大的膜厚值，再次說(shuō)明摩擦面加工出紋理是有利于潤(rùn)滑的.

圖9 量綱一油膜厚度隨溫度的變化情況Fig.9 Variation of dimensionless oil film thickness with temperature

從圖10可以看出，隨著溫度升高，唇口密封壓力pc也逐漸下降，同樣對(duì)油封的密封性能產(chǎn)生負(fù)面影響.具有3種不同紋理的油封唇口密封壓力值沒有較大差異，這是由于在油封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，3種油封的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)都相同，微凹坑紋理因尺寸較小，故對(duì)油封唇口所受徑向力影響不大.

圖10 唇口密封壓力隨溫度的變化情況Fig.10 Variation of lip seal pressure with temperature

油封的摩擦扭矩M可以反映其接觸面間的摩擦狀況，是影響油封壽命的重要參數(shù)之一.從圖11中可以看出，隨著溫度升高，3種紋理形狀的摩擦扭矩都呈現(xiàn)下降趨勢(shì).在保證密封性能的前提下，油封的摩擦扭矩降低可以保持唇部與旋轉(zhuǎn)軸之間的良好接觸，降低唇口溫度，降低密封系統(tǒng)相互之間的磨損，減小發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的功耗，具有較好的節(jié)能性.但溫度升高導(dǎo)致泵汲率、油膜厚度、唇口密封壓力下降，明顯降低了油封的密封性能，所以在油封工作過程中，應(yīng)盡量降低其接觸面間的溫度.

圖11 摩擦扭矩隨溫度的變化情況Fig.11 Variation of friction torque with temperature

4 結(jié) 論

文中綜合考慮了密封唇表面粗糙度和表面紋理的影響，建立了油封密封區(qū)域的混合潤(rùn)滑數(shù)值模型，計(jì)算得不同表面紋理油封唇口的溫度分布、不同轉(zhuǎn)速下油封唇口的最高溫度及溫度升高對(duì)油封密封性能的影響，所得結(jié)論如下：

1) 隨著轉(zhuǎn)速的增大，摩擦生熱量增加，唇口最高溫度也逐漸增大，具有表面紋理的油封明顯比普通油封產(chǎn)生更高的溫度，油封唇部紋理增加了摩擦熱.3種紋理油封相對(duì)比，最高溫度沒有明顯差異.

2) 油封工作時(shí)，摩擦面的溫度從兩側(cè)向中間急劇遞增，因?yàn)榭諝饧皾?rùn)滑油的散熱作用使兩端溫度明顯降低.具有表面紋理的油封在紋理區(qū)域溫度明顯比普通油封高，最高溫度發(fā)生在接觸區(qū)潤(rùn)滑油側(cè)紋理區(qū)域.

3) 溫度升高導(dǎo)致泵汲率、油膜厚度、唇口密封壓力均下降，明顯降低了油封的密封性能.在溫度升高到320 K后，3種具有紋理的油封泵汲率相繼低于0，油封可能會(huì)發(fā)生泄漏.在油封工作過程中，為保證其密封性能應(yīng)盡量降低其接觸面區(qū)域溫度.