從前人對(duì)油封機(jī)理的研究可以看出，油封密封性能的好壞，主要取決于油封唇口與軸徑之間油膜的厚度及接觸應(yīng)力的分布狀態(tài)。而油膜的厚度與接觸壓力的大小有直接的關(guān)系，所以可以說油封密封性能的好壞以及壽命的長(zhǎng)短在很大程度上取決于油封唇口壓力的大小及分布狀態(tài)。本文利用大型有限元分析軟件Ansys建立了油封的有限元模型并進(jìn)行了模擬分析，從而考察了油封的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)以及油封用彈簧彈力對(duì)油封唇口壓力大小及分布的影響，為對(duì)油封進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和疲勞分析奠定了基礎(chǔ)。

1 計(jì)算模型

由于油封的機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，為了建模和分析的方便，在建模時(shí)簡(jiǎn)化了其形狀，省去了一些對(duì)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生大的影響的一些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。而且考慮到油封在裝配時(shí)的完全軸對(duì)稱性，我們采用二維軸對(duì)稱模型來模擬實(shí)際中的三維問題，這種簡(jiǎn)化不會(huì)影響分析結(jié)果，但是將大大減少建模及分析的時(shí)間。所建的油封的二維軸對(duì)稱模型如圖2所示.型號(hào)50X70X8 (mm)。材料為丁睛橡膠(NBR)。途中β為油封彈簧中心與油封唇口間的垂直距離，也被稱為理論接觸寬度。a和β分別為油封唇口油側(cè)及空氣側(cè)與軸的夾角，又稱為前唇角和后唇角。

2 有限元模型

本文所進(jìn)行的靜態(tài)分析中，油封材料(橡膠)的超彈特性以及分析中存在的大變形和接觸問題，使得分析包含了材料非線性，接觸非線性以及大變形(結(jié)構(gòu))非線性3種情況。這些非線性往往使分析難以收斂，所以為了分析的方便，在不太影響分析結(jié)果的情況下作者提出了一些假設(shè)。

(1)油封材料具有確定的彈性模量E和泊松比μ;

(2)由鋼制造的軸及油封固定外套的剛度是橡膠的幾萬倍，可以不考慮其變形，即視為油封變形時(shí)的約束邊界。

本文用簡(jiǎn)化后的Mooney——Revlin模型描述橡膠材料的應(yīng)變能函數(shù):

W=C1(I1-3)+C2(I2-3)

應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為:

本文使用的分別為C1和C21.87和0.47。

分析模型中，橡膠單元采用HYPER74，彈簧和骨架采用線性實(shí)體單元PLANE82，模型中還包含ANSYS建立接觸對(duì)時(shí)自動(dòng)生成的接觸單元TARGE169和CONTA172。求解只設(shè)了一個(gè)載荷步—由軸施加的作為過盈量的X方向的位移。

3 計(jì)算結(jié)果分析

本文在靜態(tài)下對(duì)影響油封唇口接觸壓力大小及分布的因素進(jìn)行分析。分析結(jié)果及分析如下。

(1)唇口接觸寬度R值的大小(如圖2所示)對(duì)油封唇口壓力大小及分布的影響.

圖2 油封集合模型

圖3油封的有限元模型油封唇口接觸寬度R是指油封唇口與彈簧槽中心的軸向距離，它的存在使得接觸壓力主要分布在油封的空氣側(cè)，從參考文獻(xiàn)中可以知道R值的大小直接影響著唇口壓力的分布，并對(duì)油封唇口接觸壓力的大小也有一定的影響。本文通過其它參數(shù)不變，只改變R值的方法分析了R值對(duì)油封唇口接觸壓力分布及大小的影響，圖4和圖5分別給出了唇口*大接觸壓力和前后唇角接觸寬度隨R值變化的情況。圖6所示的是R=0.6mm時(shí)的唇口接觸壓力分布圖。

圖4 油封*大接觸壓力隨R值的變化

圖5油封前后角接觸寬度隨R值的變化從分析結(jié)果不難看出隨著R值的增大唇口處*大接觸壓力會(huì)因?yàn)閺椈勺饔玫臏p弱而有一定的減小，但是影響不是很大。前唇角接觸寬度隨R值的增加有比較明顯的減小，這也證明了R的存在能夠使接觸主要存在于空氣側(cè)觀點(diǎn)。但是與前人理論觀點(diǎn)不同的是，在R值增大的過程中后唇角接觸寬度(即空氣側(cè)接觸寬度)也有一定的減小，本文認(rèn)為后唇角接觸寬度減小的原因是彈簧作用的減弱。此分析方法及結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)或者選用油封唇口接觸寬度R有一定的指導(dǎo)意義。

(2)過盈量對(duì)油封唇口壓力大小的影響。

過盈量是指在自由狀態(tài)(未裝彈簧時(shí))唇口直徑與軸徑之差。它可產(chǎn)生唇口無彈簧時(shí)的徑向力，并補(bǔ)償軸的偏心。過盈量過小，在安裝偏心和軸跳動(dòng)量大時(shí)，造成泄漏，降低密封性;過盈量太大，使唇口緊貼在軸上，唇軸間的間隙過小，唇和軸之間呈“干接觸”，在高速旋轉(zhuǎn)下，唇和軸表面間便會(huì)迅速產(chǎn)生高溫，加速唇口老化龜裂，甚至燒損密封唇，使密封無效。因此，選擇適當(dāng)?shù)倪^盈量非常重要。本文通過單獨(dú)改變過盈量的方法分析了過盈量對(duì)接觸壓力大小的影響。由于實(shí)際當(dāng)中多數(shù)使用彈簧，所以分析在有彈簧的情況下進(jìn)行。本文對(duì)過盈量從0.2mm到0.8mm進(jìn)行了漸變分析。圖7和圖8分別描繪了唇口*大接觸壓力以及唇口接觸寬度隨過盈量的變化情況。圖9和圖10所示的是過盈量為0.2mm和0.8mm時(shí)的唇口接觸壓力分布情況。

圖7 唇口*大接觸壓力隨過盈量的變化

圖8 唇口接觸寬度隨過盈量的變化

圖9 過盈量為0.2mm時(shí)唇口壓力分布情況

圖10 過盈量為0.8mm時(shí)唇口壓力分布情況分析的結(jié)果證明了前人的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論，分析的方法可以用來根據(jù)壓力需要確定過盈量選擇。

(3)彈簧勁度對(duì)油封唇口壓力的影響的模擬

油封彈簧的作用有提高接觸壓力和提高油封唇口對(duì)軸跟隨性的作用。本文對(duì)油封彈簧勁度對(duì)油封唇口接觸壓力大小及分布的影響進(jìn)行了模擬分析。分析在R=0.6mm，過盈為。.4mm的情況下進(jìn)行.分析結(jié)果如圖12和圖13所示.由圖中所示的分析結(jié)果可以看出前角接觸寬度變化不大，而*大接觸壓力和后角接觸寬度都隨著彈簧勁度的增大而增大。這些分析與實(shí)際相符，對(duì)用戶根據(jù)壓力需要選擇彈簧勁度有一定的指導(dǎo)意義。

圖11 唇口*大接觸壓力隨彈簧勁度的變化

圖12 唇口接觸寬度隨彈簧勁度的變化(4)后唇角對(duì)油封接觸壓力大小及分布的影響。

由參考文獻(xiàn)可以知道油封的前后唇角的差值對(duì)油封的泵汲效應(yīng)有很大影響。選擇合適的前后唇角大小對(duì)于油封的密封性能有很重要的影響。本文認(rèn)為油封唇口前后唇角，尤其是后唇角的大小對(duì)唇口接觸壓力的大小及分布也會(huì)有很大的影響.因此本文在靜態(tài)情況下分析了后唇角對(duì)接觸壓力分布及大小的影響。分析在R=0.6mm，過盈量為0.4mm，彈簧勁度為3142N/m的情況下進(jìn)行。所得結(jié)果如圖13和圖14所示。從圖中給出的結(jié)果可以看出隨著后唇角的增大，接觸寬度明顯的減小，接觸寬度的減小使得唇口*大接觸壓力隨之增大。此分析方法可以用來根據(jù)接觸壓力及接觸寬度的需要選擇后唇角的大小，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

圖13 唇口*大接觸壓力隨唇角大小的變化

圖14 后唇口接觸寬度隨后唇角大小的變化除上述分析的典型參數(shù)外，軸的表面粗糙度，安裝誤差，同軸度，油封用橡膠材料參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)情況都對(duì)油封唇口的壓力大小及分布存在著影響，也就是都對(duì)油封的密封性能存在著影響。

4 結(jié)論

1)成功實(shí)現(xiàn)了利用ANSYS對(duì)有封的靜態(tài)非線性分析有限元分析;使多年的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到了驗(yàn)證，為油封的設(shè)計(jì)和選擇提供了理論指導(dǎo);
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2)分析計(jì)算了油封唇口接觸寬度、過盈量、彈簧勁度以及油封后角大小對(duì)油封唇口接觸壓力大小及分布的影響。唇口接觸寬度對(duì)油封唇口接觸壓力的大小影響不大，但是隨著唇口接觸寬度R的增大，接觸開始主要發(fā)生在空氣側(cè)，這剛好體現(xiàn)出了R存在的意義。過盈量是彈簧沒有預(yù)緊的油封產(chǎn)生唇口壓力的**途徑，從分析可以看出隨著過盈量的增大，后角接觸寬度都有明顯的增加，由于接觸寬度的增加所以唇口接觸壓力的增加相對(duì)較緩。彈簧勁度的增大使得唇口接觸寬度與*大接觸壓力都緩慢增加。后唇角接觸寬度隨后唇角的增大有較明顯的減小，而*大接觸壓力隨后唇角的增大緩慢地增大。本文的這些分析及取得的結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和選擇有一定的指導(dǎo)意義，同樣為以后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)和方法。(end)