十字節(jié)密封圈結(jié)構(gòu)失效模式及其優(yōu)化研究*

張守麗,韓 昆,蔣立正

(浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 310053)

0 引 言

密封圈作為十字節(jié)重要的一個(gè)零部件。因其唇口大變形、過(guò)度磨損和高溫等問(wèn)題,會(huì)導(dǎo)致密封失效漏油,進(jìn)而引起內(nèi)部滾針燒損卡死等功能性問(wèn)題。

目前,十字節(jié)售后問(wèn)題主要是由密封失效引起的,因此,需要設(shè)計(jì)出較為合理的密封圈,以減小失效問(wèn)題。

在密封圈設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí),主要根據(jù)十字節(jié)內(nèi)部預(yù)留安裝空間進(jìn)行設(shè)計(jì),在滿足安裝要求的前提下,從結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)和橡膠材料性能入手，盡可能提高密封圈使用壽命,保證密封性能。

橡膠材料的選擇主要根據(jù)使用環(huán)境和性價(jià)比來(lái)決定的,當(dāng)環(huán)境一定時(shí),基本不再選擇新材料,所以工程師和學(xué)者們大多是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上做文章。目前,主要的設(shè)計(jì)方法有兩種,即:試驗(yàn)法和數(shù)值仿真法。

試驗(yàn)法的結(jié)果更加真實(shí),但是需要大量的時(shí)間、人力和物力,開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng),對(duì)設(shè)備要求較高;數(shù)值仿真法是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證,彌補(bǔ)試驗(yàn)的不足,這也是目前學(xué)者普遍采用的研究方法。

劉明等人[1]對(duì)Y型密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)如:唇口頂角、根部尺寸等進(jìn)行了優(yōu)化,得到了滿足密封性能的結(jié)構(gòu)形式。馬洋洋等人[2]對(duì)密封條在不同溫度下的密封性能進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨溫度升高,其應(yīng)力和接觸壓力增加,接觸寬度不變,但壓縮率減小。劉奇等人[3]以接觸應(yīng)力作為密封評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)舌型密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),對(duì)接觸應(yīng)力影響大小的順序依次是:舌張角、舌寬和舌厚度。雷雨念等人[4]對(duì)Y型密封圈內(nèi)、外唇高度差和唇厚度進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),提高內(nèi)、外唇高度可以提高密封性能;但增加唇厚度會(huì)使應(yīng)力增大,減少密封圈使用壽命。劉亞?wèn)|等人[5]對(duì)不同工況參數(shù)進(jìn)行了研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在不同磨損階段,唇口兩側(cè)的磨損速度不同,可以相互超越;另外轉(zhuǎn)速對(duì)磨損影響較小;但過(guò)盈量和預(yù)緊彈簧對(duì)磨損的影響都較大。張付英等人[6]分析了工作壓力、往復(fù)速度和粗糙度對(duì)矩形密封圈模型力矩和泄漏量的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),工作壓力會(huì)使模型力矩和泄漏量增大,往復(fù)速度會(huì)增大摩擦力矩,粗糙度會(huì)增大泄漏量。雷剛等人[7]分析了密封圈在三孔和四孔螺栓裝配結(jié)構(gòu)下的密封性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn),兩種結(jié)構(gòu)形式均可滿足密封性能;但三孔結(jié)構(gòu)可以提高密封性能。

上述文獻(xiàn)從溫度、磨損、壽命和優(yōu)化等方向?qū)Ω黝愋偷拿芊馊Φ慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)做了大量研究,但大多僅考慮各參數(shù)規(guī)律性和影響性的研究,缺乏對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的失效分析和確定取值范圍的研究。

鑒于此,筆者首先對(duì)某型號(hào)十字節(jié)在耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)嚴(yán)重的漏油問(wèn)題進(jìn)行失效分析;其次,對(duì)密封圈結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行規(guī)律性研究和極差分析,得到各參數(shù)取值范圍和貢獻(xiàn)度,并設(shè)計(jì)出新結(jié)構(gòu)形式;最后,試制樣件并進(jìn)行試驗(yàn),通過(guò)試驗(yàn)證明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式可有效地解決漏油問(wèn)題,以保證密封性能。

1 失效分析

某型號(hào)十字節(jié)在運(yùn)輸車上進(jìn)行耐久試驗(yàn),當(dāng)傳動(dòng)軸工作70 h后,傳動(dòng)軸的十字節(jié)位置出現(xiàn)嚴(yán)重的漏油現(xiàn)象,根據(jù)漏油點(diǎn)位置判斷，漏油是由于密封圈失效引起的,如圖1所示。

圖1 密封圈失效

按照密封圈失效分析流程和方法,筆者把十字節(jié)拆卸下來(lái),取出密封圈進(jìn)行失效分析,查找失效原因。

首先,用汽油清洗密封圈,去掉油脂并自然干燥,保證密封圈潔凈;其次,把密封圈放到圓形容器中注入樹(shù)脂,常溫下，樹(shù)脂靜止自然冷卻凝固,然后對(duì)被樹(shù)脂包裹的密封圈進(jìn)行切片,在保證截面完整和真實(shí)的情況下,切片厚度盡可能的薄,一般厚度取0.5 mm;最后用輪廓儀對(duì)切片進(jìn)行測(cè)繪,繪制出密封圈唇的輪廓曲線。

其中,一片唇口在工作前、后的輪廓曲線如圖2所示。

圖2 密封唇口輪廓曲線

圖2中,通過(guò)對(duì)比密封圈唇口初始和試驗(yàn)后兩種狀態(tài)輪廓曲線可得:

(1)唇口頂部磨損嚴(yán)重,導(dǎo)致密封圈唇口的壓力不足以保證密封性能[8];(2)密封圈唇口的變形大,回彈補(bǔ)償性能差,當(dāng)十字節(jié)發(fā)生變向或振動(dòng)時(shí),唇口不能及時(shí)回彈，保證唇口有足夠的壓力阻止油脂外泄。

綜上所述判斷,密封圈橡膠材料性能一定時(shí),由于密封圈結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致密封失效漏油,需要對(duì)密封圈結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化來(lái)解決漏油問(wèn)題。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

十字節(jié)密封圈是一種旋轉(zhuǎn)式的唇式結(jié)構(gòu),其形狀如圖3所示。

圖3 密封圈主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3中,密封圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是針對(duì)其密封圈唇口形狀進(jìn)行優(yōu)化,提高唇口的回彈效果以降低磨損。結(jié)合設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和研究可知[9]:唇口的接觸形式、接觸角度、唇厚度、和過(guò)盈量這4個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)密封圈性能影響最大。

筆者運(yùn)用有限元手段對(duì)它們進(jìn)行規(guī)律性研究,以唇口的應(yīng)力、溫度和徑向變形這3個(gè)指標(biāo)為目標(biāo)值[10],綜合評(píng)估確定優(yōu)化方向。其中應(yīng)力和溫度反映磨損快慢情況,徑向變形反映唇口變形情況。

2.1 分析模型建立

根據(jù)密封圈、十字軸尺寸和它們的裝配位置關(guān)系,筆者在Abaqus中建立分析模型。

為了便于分析計(jì)算,在保證分析準(zhǔn)確的前提下,筆者對(duì)模型做以下簡(jiǎn)化和設(shè)置[11]:

(1)密封圈骨架和軸套是過(guò)盈配合固定在一起,可以省略掉軸套模型,僅約束骨架即可:

(2)十字軸和骨架簡(jiǎn)化為剛體;

(3)橡膠材料特性視為不可壓縮,各項(xiàng)同性且連續(xù);

(4)環(huán)形三維密封圈模型簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型;

(5)環(huán)境溫度設(shè)定20 ℃。

筆者選用橡膠材料為丁腈橡膠,因?yàn)樵撓鹉z不僅成本低,而且具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐油特性,可以適應(yīng)在120 ℃以下的工作環(huán)境。

根據(jù)不可壓縮的材料特性選用Mooney-Rivlin本構(gòu)模型如下[12]:

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

(1)

式中：W—應(yīng)變能密度；C10，C01—Rivlin系數(shù)；I1—第1Green應(yīng)變不變量；I2—第2Green應(yīng)變不變量。

其中：C10和C01由下式而得：

lgE=0.019 8H-0.543 2

(2)

E=6(C10+C01)

(3)

C01=αC10

(4)

式中：E—彈性模量，MPa；H—橡膠材料硬度，IRHD；α—與硬度有關(guān)的系數(shù)。

該研究中使用的橡膠材料硬度為70(IRHD硬度),文獻(xiàn)[13]給出在硬度70(IRHD硬度)時(shí),α取0.02比較接近實(shí)驗(yàn)值。

經(jīng)計(jì)算可得:E=6.96 MPa,C10=1.14,C01=0.02。

進(jìn)行有限元分析計(jì)算時(shí),首先要讓十字軸固定。

密封圈分兩步加載:(1)密封圈向十字軸移動(dòng),密封唇與軸面接觸，形成過(guò)盈配合，形成壓力,產(chǎn)生密封效果,模擬其初始安裝狀態(tài);(2)在密封圈上施加繞其軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速,以模擬其轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。

筆者建立的分析模型如圖4所示。

圖4 分析模型

2.2 仿真分析

筆者運(yùn)用有限元模型對(duì)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行規(guī)律性研究。由于每個(gè)密封圈唇口的目標(biāo)值和設(shè)計(jì)相同,為了研究的便捷性,該處僅選外唇為研究對(duì)象。

其中,仿真分析中結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍取自企業(yè)工程設(shè)計(jì)中常用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),但該范圍略大于等于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2.1 接觸方式的影響

密封圈安裝到十字軸上,密封唇口與接觸面過(guò)盈配合。目前,唇口的接觸方式主要有兩種,即:擠壓接觸和柔性接觸,分別如圖5、圖6所示。

圖5 擠壓接觸

圖6 柔性接觸

圖6中,柔性接觸是指密封唇口以接觸角a壓在軸上形成一個(gè)月面,使得密封唇口整體變形實(shí)現(xiàn)密封。

保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)相同,筆者對(duì)這兩種接觸方式進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 接觸方式的影響

圖7中,柔性接觸的應(yīng)力、溫度和徑向變形相對(duì)較小,唇口整體受力有利于磨損或振動(dòng)后的回彈補(bǔ)償,防止油脂泄露,保證密封性能。

擠壓接觸在旋轉(zhuǎn)時(shí)溫升高,應(yīng)力呈幾何倍增加,易磨損,且徑向變形大，回彈效果差,無(wú)法保證穩(wěn)定的壓力,造成早期失效后果,故優(yōu)選柔性接觸方式設(shè)計(jì)。

2.2.2 接觸角度的影響

保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,柔性接觸角分別取30°、45°和60°,分析計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 接觸角的影響

圖8中,唇口應(yīng)力和溫升曲線均呈現(xiàn)U型即先減小再增大的趨勢(shì);徑向變形曲線呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。在45°時(shí),雖徑向變形不是最小值,但應(yīng)力和溫升均最小,綜合評(píng)估優(yōu)選接觸角為45°。

2.2.3 唇厚度的影響

保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,密封圈唇厚度分別取0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm和0.8 mm,分析結(jié)果如圖9所示。

(3)通過(guò)地下水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果，制定一系列地下水污染防治措施，避免地下水水質(zhì)日益惡化。建議加強(qiáng)對(duì)工業(yè)污水、生活污水的監(jiān)管排放，對(duì)不達(dá)標(biāo)的污水必須處理后排放。加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)種植區(qū)的管理，提倡有機(jī)種植，有序合理地使用農(nóng)藥、化肥。加強(qiáng)地下水資源的監(jiān)控，防治無(wú)序、過(guò)量開(kāi)采。

圖9 唇厚度的影響

圖9中，唇口應(yīng)力隨著厚度增加先減少后增大,在0.4 mm～0.5 mm區(qū)間緩慢增加,在0.5 mm之后應(yīng)力陡增。溫升在0.3 mm～0.5 mm區(qū)間基本保持不變,0.5 mm～0.8 mm區(qū)間變化快即先增大后減小,在0.6 mm時(shí)溫升最大;

徑向變形隨著厚度增加呈逐漸增大的趨勢(shì),在0.4 mm～0.5 mm區(qū)間保持不變。綜合評(píng)估唇口厚度優(yōu)選區(qū)間為0.4 mm～0.5 mm。

2.2.4 過(guò)盈量的影響

保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變,密封圈唇口過(guò)盈量分別取0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm和0.6 mm,分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 過(guò)盈量的影響

圖10中,唇口應(yīng)力在0.2 mm～0.3 mm時(shí)，基本保持不變,之后隨過(guò)盈量的增加先增大后減小,在0.4 mm過(guò)盈量時(shí)最大。溫升在過(guò)盈量為0.2 mm～0.3 mm時(shí)，溫升緩慢增加,之后開(kāi)始呈線性陡增。徑向變形隨過(guò)盈量的增加呈線性增大趨勢(shì)。

由分析可知：過(guò)盈量?jī)?yōu)選0.2 mm,但過(guò)盈量過(guò)小時(shí)會(huì)導(dǎo)致密封圈唇口壓力不足[14],不利于密封,故綜合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),過(guò)盈量?jī)?yōu)選區(qū)間為0.2 mm～0.3 mm。

2.2.5 參數(shù)極差分析

極差分析又稱直觀分析法,可以反映出各因素對(duì)分析結(jié)果的貢獻(xiàn)度[15],極差值越大,貢獻(xiàn)度越大,則該因素就是優(yōu)先要考慮的優(yōu)化對(duì)象[16]。

通過(guò)上文對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響規(guī)律分析發(fā)現(xiàn),密封圈唇口接觸角采用45°的柔性接觸為最優(yōu)接觸方式,而厚度和過(guò)盈量的取值對(duì)唇口徑向變形、應(yīng)力和溫升有重要的影響。

為了探索厚度和過(guò)盈量對(duì)目標(biāo)值的貢獻(xiàn)度,筆者以45°柔性接觸為基礎(chǔ),在各因素最優(yōu)取值區(qū)間內(nèi)，設(shè)計(jì)了2因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)。

各因素水平如表1所示。

表1 因素水平設(shè)計(jì)

在厚度優(yōu)選區(qū)間0.4 mm～0.5 mm時(shí),徑向變形量為定值,故徑向變形量不作目標(biāo)值,對(duì)應(yīng)的分析結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)分析結(jié)果

根據(jù)極差分析計(jì)算方法[17],得到各因素對(duì)目標(biāo)值的貢獻(xiàn)度如圖11所示。

圖11 各因素的貢獻(xiàn)度

圖11中,唇厚度對(duì)應(yīng)力的貢獻(xiàn)度最大,對(duì)溫度的貢獻(xiàn)度較小;過(guò)盈量對(duì)溫度的貢獻(xiàn)度最大,對(duì)應(yīng)力的貢獻(xiàn)度較小。

因此,在十字節(jié)密封設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí),密封唇口接觸角采用45°柔性接觸后,可以根據(jù)要優(yōu)化的目標(biāo)值判定參數(shù)優(yōu)化的優(yōu)先級(jí),達(dá)到快速優(yōu)化的目的,如:降低唇口應(yīng)力時(shí),先優(yōu)化厚度參數(shù)，大幅度降低應(yīng)力值,再優(yōu)化過(guò)盈量，微調(diào)應(yīng)力,達(dá)到所需要的應(yīng)力水平。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)規(guī)律研究?jī)?nèi)容和極差分析結(jié)果,并考慮密封圈在十字節(jié)中的安裝空間尺寸,筆者設(shè)計(jì)出新的結(jié)構(gòu)形式,如圖12所示。

圖12 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)

圖12中,最重要的優(yōu)化是:外唇由擠壓接觸改為柔性接觸,減小了唇厚度;減小中間唇接觸角;減小內(nèi)唇的過(guò)盈量、唇厚度和接觸角;其他參數(shù)基本保持不變。

筆者對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。

由于各密封圈唇口變化規(guī)律是一致的,筆者僅統(tǒng)計(jì)了3個(gè)密封圈唇口的最大應(yīng)力、溫度和徑向變形量,分析結(jié)果如表3所示。

表3 分析結(jié)果對(duì)比

表3中,優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式的溫度、應(yīng)力和徑向變形量均減小,因此,優(yōu)化后的模型不僅減小了唇口的磨損,而且保證回彈性能,滿足了優(yōu)化要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

筆者將優(yōu)化后的密封圈制作成樣件安裝到十字節(jié)上,選擇3組樣本分別裝到試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn),該試驗(yàn)機(jī)極限夾角為9°,極限轉(zhuǎn)速2 000 r/min。

萬(wàn)向節(jié)疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖13所示。

圖13 萬(wàn)向節(jié)疲勞試驗(yàn)臺(tái)

按照企業(yè)試驗(yàn)規(guī)范要求:轉(zhuǎn)速1 200 r/min,十字軸兩側(cè)連接部件的夾角設(shè)為3°,運(yùn)行100 h后油脂泄漏量小于1 g。

筆者對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束的樣件進(jìn)行稱重,通過(guò)試驗(yàn)前后重量變化計(jì)算出漏油量,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 漏油量

表4中,優(yōu)化后的密封圈漏油量均小于目標(biāo)值(1g),證明優(yōu)化后的密封圈達(dá)到了優(yōu)化目的,滿足企業(yè)使用方面的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了解決十字節(jié)密封圈的失效漏油問(wèn)題,筆者進(jìn)行了密封圈失效模式分析、結(jié)構(gòu)參數(shù)規(guī)律性研究和極差分析,并對(duì)原模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

研究結(jié)果表明:

(1)對(duì)比試驗(yàn)前、后密封圈唇口輪廓曲線變化可知:由于其結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)不合理，引起唇口磨損嚴(yán)重和變形過(guò)大，導(dǎo)致回彈不足,引起早期失效;

(2)運(yùn)用有限元分析方法對(duì)主要結(jié)構(gòu)參數(shù):接觸形式、接觸角度、唇口厚度和過(guò)盈量進(jìn)行規(guī)律分析,得到各參數(shù)的最優(yōu)取值范圍;

(3)對(duì)唇口厚度和過(guò)盈量進(jìn)行極差分析得到對(duì)目標(biāo)值的貢獻(xiàn)度;

(4)根據(jù)研究?jī)?nèi)容對(duì)原密封圈進(jìn)行優(yōu)化,并完成新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證,十字節(jié)漏油問(wèn)題得到解決;

(5)在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,可以優(yōu)先采用接觸角為45°的柔性接觸,唇厚度和過(guò)盈量均取中值,分別為0.45 mm和0.25 mm,再通過(guò)有限元分析對(duì)標(biāo)現(xiàn)有合格產(chǎn)品,進(jìn)行優(yōu)化微調(diào),即可快速完成設(shè)計(jì)。

在后續(xù)的研究中,筆者將繼續(xù)深入研究密封圈唇口磨損過(guò)程中,唇口回彈補(bǔ)償和密封性能的變化規(guī)律等問(wèn)題。