轉(zhuǎn)速對旋轉(zhuǎn)式唇形密封接觸性能參數(shù)的影響

(1.嘉興南湖學院 機電工程學院，浙江 嘉興 314001； 2.嘉興學院 生物與化學工程學院，浙江 嘉興 314001)

引言

旋轉(zhuǎn)式唇形密封是指內(nèi)圈與靜止軸過盈裝配、外圈與轉(zhuǎn)動殼體安裝固定，并隨殼體一起旋轉(zhuǎn)的唇形密封圈，其屬于一種流體動密封件，具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、綜合密封性能好等優(yōu)點[1]。當殼體處于靜止或低轉(zhuǎn)速時，密封唇依靠徑向力與軸表面密切接觸而成為接觸式密封；殼體高速旋轉(zhuǎn)時，密封唇在高速旋轉(zhuǎn)離心力的作用下與軸表面脫開而成為非接觸式密封[2-3]。旋轉(zhuǎn)式唇形密封較適用于設備停車時需要密封，以及轉(zhuǎn)動時需要獲得可控泄漏率或降低摩擦扭矩的應用場合，其典型的工程應用為液體火箭發(fā)動機燃料泵的一級密封和高速列車軸承的密封[4-6]。

密封圈轉(zhuǎn)速是影響旋轉(zhuǎn)式唇形密封性能的主要因素，脫開轉(zhuǎn)速是旋轉(zhuǎn)式唇形密封設計的關鍵性能參數(shù)。脫開轉(zhuǎn)速如若過低或過高，都將影響密封圈的密封性和可靠性。目前，脫開轉(zhuǎn)速的設計一般通過密封唇口徑向力或泄漏率建立臨界脫開判據(jù)[3-5]，依靠試驗研究法或設計者經(jīng)驗完成，導致設計周期長、成本高，已有的研究成果與工程設計應用還存在一定的脫節(jié)。對于旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈，由于轉(zhuǎn)速越高，其產(chǎn)生的離心力增加，進而對唇形密封的力變形及接觸性能參數(shù)的影響也越大。為建立密封唇口臨界脫開判據(jù)與接觸性能參數(shù)的關聯(lián)性，準確預測旋轉(zhuǎn)式唇形密封的脫開轉(zhuǎn)速，探究密封圈轉(zhuǎn)速對其力變形及接觸性能參數(shù)的影響規(guī)律，是預測密封脫開轉(zhuǎn)速的理論基礎。

為此，以旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈為研究對象，忽略溫度對密封圈接觸壓力及熱變形的影響[7]，設定密封圈唇口兩側(cè)為無壓力差工況，采用ANSYS軟件建立密封圈的軸對稱有限元模型，計算密封圈在安裝靜止和工作轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的應力、應變和接觸性能參數(shù)，分析密封圈轉(zhuǎn)速對唇口間隙、接觸寬度、接觸壓力大小及分布等的影響規(guī)律，研究結(jié)果對于旋轉(zhuǎn)式唇形密封脫開轉(zhuǎn)速的工程設計具有重要的理論指導意義。

1 有限元模型

1.1 網(wǎng)格模型

旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈的結(jié)構(gòu)由橡膠本體、金屬骨架和卡緊彈簧組成，其規(guī)格以名義內(nèi)徑×外徑×寬度來表示，本研究分析的唇形密封圈規(guī)格為φ100×φ125×12 mm。由于密封圈截面幾何形狀的不規(guī)則性，其幾何模型利用AutoCAD軟件完成，如圖1a所示；考慮密封圈結(jié)構(gòu)和約束載荷的軸對稱性，為節(jié)省模擬計算時間，采用ANSYS建立密封圈軸對稱的有限元模型，如圖1b所示。有限單元選擇具有8個節(jié)點的Solid plane183高階2維單元，單元屬性設置為軸對稱，該單元對于復雜的幾何模型具有較強的適應性，能較好地模擬橡膠材料的近乎不可壓縮的彈塑性變形特性[8]。采用四邊形網(wǎng)格進行網(wǎng)絡劃分，對密封圈的唇口部位進行網(wǎng)格細分處理，以提高唇口接觸性能參數(shù)計算結(jié)果的精度，并進行計算結(jié)果的網(wǎng)格無關性檢驗，本研究模型共計網(wǎng)格數(shù)1696個，相應的節(jié)點數(shù)為8201個。

1.2 材料屬性

唇形密封圈的橡膠屬于超彈性材料，具有高度的非線性變化的應力應變本構(gòu)關系。目前，較多文獻采用2項參數(shù)的Mooney-Rivlin模型[9-13]表征橡膠的超彈特性，本研究的2項參數(shù)分別取為：C10=-2.75 MPa，C01=4.6 MPa[14]，橡膠材料密度ρ1=1.4×103kg/m3。軸與金屬骨架的材料為45號鋼，其材料參數(shù)取為：彈性模量E=210 GPa，泊松系數(shù)μ=0.3[9]，密度ρ2=7.8×103kg/m3。

1.3 施加載荷

為求解密封圈唇口的接觸性能參數(shù)，創(chuàng)建軸表面與密封唇口的接觸對以模擬鋼與橡膠的實際接觸。因為鋼的剛度遠大于橡膠，接觸性質(zhì)為接觸對中的剛體-柔體接觸，所以接觸對模型中僅以一條直線代表軸面；由于接觸方式屬于面-面接觸，為此設定軸表面為目標面，唇口為接觸面[15-16]。模擬安裝狀態(tài)的壓緊載荷時，對密封圈的外周、背面分別施加徑向、軸向位移為0 mm的約束，卡緊彈簧圓弧槽處施加均勻分布壓力為0.01 MPa的彈簧卡緊力，軸面沿半徑方向施加過盈量大小為1.0 mm的位移；模擬工作轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)離心力時，對密封圈施加繞軸中心旋轉(zhuǎn)的角速度。有限元求解時，上述載荷可以分別按照安裝靜止和工作轉(zhuǎn)動時的兩步方式順序加載后計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 密封圈的應力與應變分析

有限元模擬離心力時，分別施加密封圈的旋轉(zhuǎn)角速度ω為0，200，300，400 rad·s-1，求解獲得密封圈處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的Von-Mises應力云圖，如圖2所示。從圖中可知，最大應力區(qū)域主要集中在金屬骨架靠近唇形密封的內(nèi)圈部分，這是因為旋轉(zhuǎn)時，密封圈腰部結(jié)構(gòu)在離心力的作用下形成對金屬骨架的擠壓，隨著ω的增加，油封腰部離心力對金屬骨架的擠壓作用加劇，應力向金屬骨架靠近唇形密封的外圈部分擴散，其最大的Mises應力數(shù)值由密封圈靜止時的0.816 MPa增加至5.036 MPa，為此，應避免在密封圈腰部結(jié)構(gòu)的金屬骨架端形成應力集中。對于密封圈腰部結(jié)構(gòu)和唇口部位的應力，則表現(xiàn)出隨ω的增加而降低的趨勢，這是因為當ω為0 rad·s-1，即密封圈靜止時，其應力主要由唇口過盈裝配和卡緊彈簧的壓緊力施加，當ω增加時，壓緊力因離心力的抵消作用而逐漸減小。

圖3為不同轉(zhuǎn)速ω時唇形密封圈的Von-Mises應變云圖。從圖中可知，應變主要發(fā)生在密封圈的腰部結(jié)構(gòu)和唇口部分，隨著ω的增加，最大的Mises應變值逐漸減小，其數(shù)值由靜止時的0.0667減小至0.0518，且最大應變部位向金屬骨架端擴散。這是因為ω為0 rad·s-1時，應變由唇口過盈裝配和卡緊彈簧的壓緊力形成，隨著ω的增加，雖然離心力形成的應變在增加，但壓緊力的應變卻因離心力的抵消作用而逐漸減小。

通過對密封圈的Von-Mises應力應變分析可知，轉(zhuǎn)速對密封圈應力應變的影響主要作用在密封圈的腰部結(jié)構(gòu)和唇口部位。靜止時，密封圈的應力應變主要由唇口過盈裝配和卡緊彈簧的壓緊力形成；轉(zhuǎn)動時，密封圈由于旋轉(zhuǎn)離心力的作用，其唇口與軸面之間的接觸壓力減小，進而導致密封圈腰部和唇部的應力應變減小。

2.2 密封圈的唇口接觸參數(shù)分析

1) 轉(zhuǎn)速對密封圈唇口間隙的影響

唇形密封在內(nèi)圈未與軸過盈裝配，且未施加彈簧卡緊力的情況下旋轉(zhuǎn)時，唇口僅在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下發(fā)生徑向位移即唇口間隙δ，其隨轉(zhuǎn)速ω的變化規(guī)律如圖4所示。從圖中可知，隨著ω的增加，唇口間隙δ呈現(xiàn)拋物線形狀的非線性增加趨勢，當ω達到400 rad·s-1時，δ值約為0.86 mm。這是因為橡膠密封圈的彈性力變形具有非線性，以及離心力隨轉(zhuǎn)速非線性增加的綜合因素所致。通過該變化規(guī)律，可以獲得相應脫開轉(zhuǎn)速的旋轉(zhuǎn)式唇形密封內(nèi)圈與軸裝配時的最小過盈量要求，同時可為密封圈脫開轉(zhuǎn)速的初步設計提供相應的數(shù)值參考。

2) 轉(zhuǎn)速對密封圈唇口接觸性能參數(shù)的影響

密封圈唇口接觸性能參數(shù)可用接觸寬度L、最大接觸壓力pmax和徑向力Fr表征。圖5所示為密封圈唇口接觸性能參數(shù)隨轉(zhuǎn)速ω的變化規(guī)律。從圖中可知，當密封圈ω為0 rad·s-1，即處于靜止時，由于離心力為0 MPa，唇口接觸狀態(tài)未受離心力作用的影響，因此，接觸寬度L、最大接觸壓力pmax和徑向力Fr均為最高值，其數(shù)值分別約為0.317 mm，1.57 MPa和0.116 N·mm-1。在研究的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著ω的增加，唇形密封圈所受的離心力作用增加，導致唇口與軸表面的接觸間隙增加，相當于密封圈內(nèi)徑增大，造成唇形密封內(nèi)圈與軸的過盈量下降，從而導致了唇形密封的接觸寬度L、最大接觸壓力pmax和徑向力Fr均呈現(xiàn)非線性減小的變化規(guī)律，所得結(jié)果與文獻[3]相一致。當轉(zhuǎn)速ω為400 rad·s-1時，L,pmax和Fr的數(shù)值分別約為0.065 mm，1.10 MPa和0.032 N·mm-1，相比密封圈靜止時分別下降了79.5%, 29.9%和72.4%，因此，隨轉(zhuǎn)速增加而減小的影響程度從大到小的排序為：L>Fr>pmax?？梢灶A測的是，如果ω繼續(xù)增加，密封圈唇口離心力作用變形加劇，唇口將與軸表面不再保持密切接觸狀態(tài)，唇口接觸性能參數(shù)值將減小至0，此時對應的密封圈轉(zhuǎn)速可視為脫開轉(zhuǎn)速。

3) 轉(zhuǎn)速對密封圈唇口接觸壓力分布的影響

為研究轉(zhuǎn)速對密封圈唇口接觸壓力p分布規(guī)律的影響，通過有限元后處理的路徑操作方法，在接觸壓力云圖(見圖6)上從唇口空氣側(cè)的接觸點為起始點，順次提取獲得接觸寬度L內(nèi)的節(jié)點壓力p，可得到不同轉(zhuǎn)速下唇形密封接觸壓力p的分布形狀，如圖7所示。從圖中可知，當轉(zhuǎn)速ω為0 rad·s-1時，接觸壓力p呈現(xiàn)顯著的非對稱性分布形狀，最大接觸壓力pmax的位置靠近油側(cè)；隨著ω的增加，接觸壓力分布形狀的非對稱性特點逐漸消失，由非對稱性轉(zhuǎn)變?yōu)榻茖ΨQ性，且接觸寬度L和最大接觸壓力pmax一并逐漸減小，與圖5的結(jié)果相一致。為保證唇形密封具有反向泵送作用[16]的密封效果，設計時必須限制密封圈轉(zhuǎn)速以維持接觸壓力的非對稱性分布形狀。因此，密封圈轉(zhuǎn)速的增加將降低唇形密封的密封性。

3 結(jié)論

通過建立的無壓差工況旋轉(zhuǎn)式唇形密封的有限元模型，求解了密封圈的應力應變云圖和唇口接觸性能參數(shù)，分析了轉(zhuǎn)速在0～400 rad·s-1的變化范圍內(nèi)對密封圈計算結(jié)果的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1) 轉(zhuǎn)速是影響旋轉(zhuǎn)式唇形密封圈接觸性能參數(shù)的主要因素，其對密封圈Von-Mises應力應變的影響集中在密封圈的腰部結(jié)構(gòu)和唇口部位。隨著轉(zhuǎn)速的增加，密封圈所受的離心力作用增大，唇口所受的壓緊力因離心力的抵消作用而減小，因此，密封圈腰部和唇部的應力應變呈現(xiàn)隨轉(zhuǎn)速增加而減小的變化規(guī)律；

(2) 轉(zhuǎn)速增加致密封圈所受離心力的作用加劇，隨著轉(zhuǎn)速的增加，密封圈唇口間隙呈現(xiàn)非線性增加的變化趨勢，其數(shù)值由靜止時的0 mm快速增加至0.86 mm，可為密封圈過盈量的初步設計提供數(shù)值參考；密封圈接觸寬度、最大接觸壓力和徑向力等接觸性能參數(shù)呈現(xiàn)非線性減小的變化規(guī)律，其大小分別由靜止時的0.317 mm，1.57 MPa和0.116 N·mm-1減小到0.065 mm，1.10 MPa和0.032 N·mm-1，它們隨轉(zhuǎn)速增加而減小的影響程度排序為：接觸寬度>徑向力>最大接觸壓力；密封圈接觸壓力的分布形狀呈現(xiàn)從非對稱性逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閷ΨQ性的變化規(guī)律，因此，轉(zhuǎn)速的增加降低了旋轉(zhuǎn)式唇形密封的密封性。