發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油泵橡膠密封圈溫升性能仿真分析

龍婷， 余明果， 劉冠麟， 蔡皓

（1. 湖南機(jī)油泵股份有限公司，湖南 衡東 421400；2. 湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410007）

0 前言

潤滑油泵（機(jī)油泵）是發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)中重要的零部件，在整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)的開發(fā)中具有決定性作用。其在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中源源不斷地為各個(gè)零部件提供機(jī)油，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各工況下能正常運(yùn)行。為了保證潤滑系統(tǒng)的正常工作，在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，正確選用油泵的機(jī)械密封，是保證其長期、可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件。密封主要是2個(gè)功能不同的空間隔開，以避免2個(gè)空間之間的固體、液體或氣體介質(zhì)相互交換，或至少限制交換量在許用泄漏量之內(nèi)。橡膠密封屬于機(jī)械密封形式的一種，也是使用最廣泛的靜密封。張曉東等［1］研究了壓縮率和工作介質(zhì)壓力對(duì)密封圈性能的影響；康家明等［2］研究了溝槽形狀對(duì)O形橡膠密封圈密封性能的影響；鄧向彬等［3］研究了橡膠O形圈最大接觸壓力、國際橡膠硬度（IRHD）和壓縮率之間的函數(shù)關(guān)系；王琦等［4］研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)Y形密封圈密封性能的影響；雷剛等［5］研究了橡膠密封圈在3孔和4孔螺栓裝配結(jié)構(gòu)下的密封性能；紀(jì)軍等［6］對(duì)氣缸O形圈動(dòng)密封及溫度場(chǎng)進(jìn)行了有限元分析。本文分析橡膠密封圈在螺栓裝配過程中及不同溫度下的密封性能，基于Ansys三維橡膠大變形仿真模型，研究不同溫度下橡膠密封圈的接觸壓力、填充率及壓縮率的變化規(guī)律。

1 密封圈模型

以某發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油泵為研究對(duì)象，對(duì)泵蓋矩形密封圈密封性能進(jìn)行分析。泵體溝槽寬度為2.8 mm，高度為1.3 mm，矩形密封圈寬度和高度均為1.68 mm，其三維模型如圖1所示。泵體與泵蓋材料為灰鑄鐵HT250，螺栓材料采用35鋼（8.8級(jí)），矩形密封圈材料為氟橡膠（FKM），具體材料屬性見表1。分析模型工況主要為：高壓泵M6螺栓擰緊力矩為9 N·m，低壓泵M6螺栓擰緊力矩為10 N·m，溫度載荷為-40～120 ℃線性升溫，潤滑油泵內(nèi)部最大液壓為1.98 MPa。

表1 泵體、泵蓋及螺栓材料參數(shù)

圖1 潤滑油泵密封三維模型

1.1 橡膠密封圈本構(gòu)模型

潤滑油泵橡膠密封圈截面為矩形，密封依賴于螺栓擰緊后作用在矩形密封圈外表面的接觸壓力。成功的密封設(shè)計(jì)能夠確保足夠的密封壓縮應(yīng)力，同時(shí)最大限度地減少由于壓縮而作用在密封圈上的應(yīng)力破壞。由于橡膠密封圈材料FKM為超彈性非線性材料，因此分析采用Mooney-Rinlin 2 Parameter本構(gòu)模型［7］。該模型在較小的應(yīng)力作用下能產(chǎn)生較大變形，拉應(yīng)變?yōu)?00%，壓應(yīng)變?yōu)?0%，模型表達(dá)式為：

式中：W為應(yīng)變能密度；C10、C01為Rivlin系數(shù)；I1、I2分別為第1、第2格林應(yīng)變不變量。

參考橡膠的IRHD指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式，可計(jì)算出材料各參數(shù)，具體表達(dá)式為：

式中：E0為彈性模量；G為切變模量；Hr為IRHD；μ為泊松比，取0.5（橡膠的不可壓縮性）。

在不同環(huán)境溫度下，橡膠密封圈材料會(huì)表現(xiàn)出不同的物理屬性，從而需在Mooney-Rinlin 2 Parameter本構(gòu)模型中獲取不同的Rivlin系數(shù)。結(jié)合硬度指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)不同溫度下的硬度和彈性模量進(jìn)行計(jì)算，得到橡膠材料參數(shù)見表2［8］。

表2 橡膠密封圈材料參數(shù)

1.2 仿真邊界條件

橡膠超彈性密封分析以實(shí)際運(yùn)行工況作為邊界條件加載，因密封圈外徑比泵體槽內(nèi)孔直徑略大，第一步通過泵體槽孔壁對(duì)密封圈的擠壓形成徑向過盈裝配；第二步通過螺栓擰緊力矩對(duì)矩形橡膠密封圈進(jìn)行軸向壓縮0.38 mm；第三步從冷啟動(dòng)-40 ℃升溫至運(yùn)行穩(wěn)定后的120 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃。

橡膠超彈性非線性類分析屬于大變形分析，對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量要求很嚴(yán)格，以防止在壓縮過程中網(wǎng)格發(fā)生畸變，因此仿真采用線性六面體全積分單元，密封圈網(wǎng)格尺寸細(xì)化到0.12 mm，以保證獲取精確的接觸壓力，局部網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。密封圈與泵體槽和泵蓋采用摩擦接觸，因橡膠密封圈比泵體、泵蓋材料軟，設(shè)置密封圈為接觸面，泵體、泵蓋為目標(biāo)面，摩擦因數(shù)為0.3，接觸設(shè)置為非對(duì)稱，方便后處理提取密封圈接觸壓力等數(shù)據(jù)。計(jì)算公式采用增廣拉格朗日乘子算法，接觸面探測(cè)方法用高斯積分點(diǎn)探測(cè)，有利于減少密封圈接觸面的滲透。

圖2 矩形密封圈網(wǎng)格局部圖

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)密封圈接觸壓力的影響

潤滑油泵密封圈的密封性是否合理，主要通過密封圈在螺栓預(yù)緊后以及不同運(yùn)行工況下的接觸壓力是否大于油泵內(nèi)部最大油壓來判斷，當(dāng)密封圈接觸壓力大于油泵內(nèi)部最大油壓，說明油液無法沖破密封圈接觸區(qū)域引起泄漏。20 ℃、-40 ℃及120 ℃溫度下的密封圈接觸壓力如圖3所示。

圖3 不同溫度下密封圈螺栓預(yù)緊接觸壓力云圖

從圖3可以看出，橡膠密封圈在常溫下螺栓擰緊壓縮0.38 mm，最大接觸壓力為10.53 MPa，因高低壓泵區(qū)域的螺栓力矩不同，使密封圈四周呈現(xiàn)壓力分布不均勻的現(xiàn)象。密封圈與泵體泵蓋的熱膨脹系數(shù)也不同，在-40 ℃低溫條件下，各零部件往中間冷縮增大了接觸區(qū)域的擠壓，從而使接觸壓力增大；隨著溫度升高，各零部件受熱膨脹程度不一致，使接觸壓力減少，但每個(gè)工況下的最大接觸壓力均大于油液內(nèi)壓1.98 MPa，密封性較好。

2.2 溫度對(duì)密封圈填充率的影響

矩形密封圈在溝槽中的填充率對(duì)于確保潤滑油泵的初始密封能力十分重要，填充率過小會(huì)使密封性能變差，過大會(huì)使安裝困難，摩擦阻力加大，且浮動(dòng)性差。通過矩形密封圈體積與泵體溝槽體積之比，計(jì)算不同工況下的密封圈填充率是否滿足設(shè)計(jì)要求。密封圈在不同溫度下的體積變化如圖4所示。

圖4 不同溫度下密封圈體積變化

從圖4可以看出：在-40 ℃低溫條件下，密封圈冷縮使體積減少，而隨著溫度緩慢上升至120 ℃，密封圈受熱膨脹，體積逐漸增大。潤滑油泵體溝槽體積為602.68 mm3，溝槽填充率的計(jì)算，需對(duì)泵體抽取溝槽空間域獲取其體積，不同溫度下的密封圈填充率計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同溫度下密封圈填充率

從表3可知，在低溫-40 ℃工況下，密封圈填充率比常溫時(shí)有所減少，隨著溫度升高，填充率逐漸增大，且不同溫度下的密封圈填充率均小于85%，滿足填充率設(shè)計(jì)要求。

2.3 溫度對(duì)密封圈壓縮率的影響

密封圈壓縮率對(duì)密封性能和使用壽命有著重要的影響。一般來說，密封圈和溝槽有一定的加工誤差，合適的壓縮率加上密封圈與溝槽尺寸的正確匹配，可以補(bǔ)償其加工和制造誤差，并保證在正常工作狀態(tài)下有足夠的密封性。選擇密封圈的壓縮率時(shí)需綜合考慮，過大的壓縮率會(huì)造成應(yīng)力松弛，產(chǎn)生過大的永久變形，且在高溫狀態(tài)中尤為嚴(yán)重，因此采用仿真方法研究密封圈在不同溫度下的壓縮率是否滿足設(shè)計(jì)要求有著重要意義。不同溫度下橡膠密封圈的壓縮率見表4。

表4 不同溫度下密封圈壓縮率

從表4 可以看出，與常溫狀態(tài)下相比，低溫-40 ℃下的密封圈軸向壓縮量增大，使其壓縮率上升；隨著溫度逐漸上升，密封圈軸向壓縮量隨之降低，即壓縮率下降，但不同溫度下的密封圈壓縮率均在13%～36%設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

（1）FKM橡膠密封圈在20 ℃常溫環(huán)境下被螺栓擰緊軸向密封產(chǎn)生的最大接觸壓力為10.53 MPa；-40 ℃低溫工況下，最大接觸壓力為10.57 MPa；120 ℃高溫工況下，最大接觸壓力為5.13 MPa。

（2）密封圈與泵體泵蓋的熱膨脹系數(shù)不同，在-40 ℃低溫條件下，各零部件往中間冷縮增大了接觸區(qū)域的擠壓，使接觸壓力增大；隨著溫度升高，各零部件受熱膨脹不一致，使接觸壓力減少，但每個(gè)工況下的最大接觸壓力均大于油液內(nèi)壓（1.98 MPa），密封性較好。

（3）與常溫環(huán)境下相比，在-40 ℃低溫工況下密封圈填充率有所減少，隨著溫度升高，填充率逐漸增大，且不同溫度下的密封圈填充率均小于85%，即密封圈尺寸滿足填充率設(shè)計(jì)要求。

（4）與常溫環(huán)境下相比，-40 ℃低溫工況下密封圈軸向壓縮量增大，使其壓縮率上升；隨著溫度逐漸上升，密封圈軸向壓縮量隨之降低，使壓縮率下降。但不同溫度下的密封圈壓縮率均在13%～36%設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，即密封圈尺寸滿足壓縮率設(shè)計(jì)要求。