唇形油封結(jié)構(gòu)參數(shù)對摩擦面溫度的影響

張佳佳， 趙良舉， 杜長春， 蘇曉燕， 吳莊俊， 饒文姬

（1.重慶大學 動力工程學院，重慶 400030；2.重慶杜克高壓密封件有限公司，重慶 400039）

油封具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、價格低廉、密封性好、隨動性優(yōu)良以及對被密封部件加工精度要求較低等特點，被廣泛應用于工業(yè)領域［1］。油封是一種摩擦件，尤其是安裝在曲軸、輸入軸和輸出軸等處的油封，其線速度很高，這必然使油封唇面產(chǎn)生高溫和磨耗，如果溫度高于橡膠材料準許的工作溫度，會加速橡膠的變形和老化，導致油封的失效［2］。目前，大部分密封失效都是油封唇口的高溫及與接觸力有關的摩擦熱所致［3］。因此，在油封工作過程中，為了保證油封的密封性能及使用壽命，必須將摩擦面上的溫度最大值限制在允許溫度以下。

為了更客觀、準確地研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對摩擦面上溫度最大值的影響，本文建立二維軸對稱模型，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下摩擦面上的溫度變化，為油封的結(jié)構(gòu)設計及優(yōu)化奠定了基礎。

1 物理模型

1.1 計算模型

油封安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，工作過程中將密封油腔與外界大氣隔開，在軸與唇形油封間形成一層較薄的油膜，起到潤滑與密封的作用。油封的泵吸效應［4］使接觸區(qū)域的油膜發(fā)生往復的運動，由于流動較微弱，且厚度較薄，散熱量較少，因此假定油封與軸直接接觸。在不考慮動靜偏心及重力的情況下，采用二維軸對稱模型來模擬實際的三維散熱［5］。計算模型如圖1所示。

圖1 計算模型

圖1中，b為工作過程中油封與軸的接觸寬度；R為軸半徑；α、β分別為前唇角、后唇角。潤滑油及空氣在旋轉(zhuǎn)軸的帶動下運動，其中，潤滑油為不可壓縮流體，空氣為可壓縮流體，工作過程可認為是變黏度可壓縮穩(wěn)態(tài)流動，控制方程為：

連續(xù)性方程為：

動量方程為：

能量方程為：

為了完成流體控制方程的計算，定義了不同邊界及接觸面的熱邊界條件，即：潤滑油左側(cè)邊界，T＝333K；空氣右側(cè)邊界T＝313K；旋轉(zhuǎn)軸左側(cè)與潤滑油的接觸面T（r）＝316r＋313；旋轉(zhuǎn)軸右側(cè)與空氣的接觸面λ?t／?z＝h（t－tf）；潤滑油及空氣與旋轉(zhuǎn)軸的接觸面設定為熱力耦合壁面，其余邊界均為絕熱邊界。在唇形油封的動態(tài)分析過程中，載荷只有軸的旋轉(zhuǎn)速度。

1.2 生熱模型

油封以一定的過盈量安裝在軸上，當軸旋轉(zhuǎn)時，油封與軸之間發(fā)生相對運動，產(chǎn)生熱量。當熱量過多或散熱性能較差時，摩擦面上會產(chǎn)生局部高溫，造成橡膠燒蝕，導致油封失效［6］。因此摩擦面上的生熱量是影響油封壽命的一個重要因素。由于其結(jié)構(gòu)特性，油封安裝后會對軸產(chǎn)生預緊力，工作過程中對軸產(chǎn)生抱軸力，剪切旋轉(zhuǎn)軸面。生熱量可以通過摩擦面上的剪切力乘以相應的線速度得到。不考慮油封安裝過程的偏心，可以認為其在圓周上均勻分布。設抱軸力為N；摩擦因素為μk，本文取0.3；轉(zhuǎn)速為n。生熱量Q為：

2 數(shù)值方法

采用計算流體力學CFD的有限體積法對流體的流動及傳熱進行計算。首先使用GAMBIT軟件對模型進行網(wǎng)格劃分，由于潤滑油側(cè)及空氣側(cè)均有楔形尖角，因此將計算區(qū)域進行分區(qū)畫網(wǎng)格，以保證網(wǎng)格質(zhì)量［7］。然后利用Fluent軟件對控制方程進行計算：采用二維穩(wěn)態(tài)軸對稱旋轉(zhuǎn)模型和k－ε湍流模型，在計算區(qū)域內(nèi)使用分離求解器將上述偏微分形式的控制方程離散為各個節(jié)點上的代數(shù)方程組，壓強采用PRESTO！差值格式，對流項采用QUICK格式，能量、湍流等項均采用二階迎風格式。壓強速度的耦合采用SIMPLEC算法［8－9］。 當計算守恒變量殘差小于10－4，則認為計算收斂。

計算過程中所需參數(shù)［6］為：tf＝313K，h＝10W／（m2·k）。材料物性參數(shù)見表1所列。其中，T為油溫與參考溫度的差值，參考溫度［10］取293K。

表1 材料物性參數(shù)

3 結(jié)果與討論

通過對軸徑為190mm的車橋唇形油封進行數(shù)值計算，在改變軸旋轉(zhuǎn)速度、前后唇角、接觸寬度、抱軸力的情況下，計算了摩擦面上溫度最大值的變化情況，分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。

3.1 軸旋轉(zhuǎn)速度對摩擦面上溫度最大值的影響

由（6）式可知，隨著軸速的增加，摩擦生熱量逐漸增加；另外，軸速的改變帶動旋轉(zhuǎn)軸兩側(cè)流體速度的改變，強化了換熱。由前人研究可知，流體在圓周方向有較大的速度，在軸向及徑向的速度較小，隨著軸速的增加，流體的旋轉(zhuǎn)速度增加，在軸旋轉(zhuǎn)過程中，兩側(cè)流體的變化幅度基本一致，靠近軸的流體速度較大，遠離軸的流體速度較小，以致接近于0，由于黏性作用，流體的速度小于軸速。因此，在摩擦生熱及散熱的綜合作用下，隨著軸速的增加，摩擦面上的溫度最大值逐漸升高，如圖2所示。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下摩擦面上溫度最大值的變化

3.2 前唇角、后唇角對摩擦面溫度最大值的影響

油封工作過程中，由于前、后唇角的大小關系，在靠近接觸面的潤滑油側(cè)產(chǎn)生Gortler－Taylor漩渦［2］，防止?jié)櫥托孤?/p>

取抱軸力40N，接觸寬度0.5mm，隨著軸速的增加，不同前唇角、后唇角下摩擦面上的溫度最大值如圖3所示。

圖3 不同前、后唇角下摩擦面溫度最大值的變化

在前唇角35°～55°的變化過程中，摩擦面最大溫度值逐漸降低。由于摩擦生熱量主要通過旋轉(zhuǎn)軸散失，通過潤滑油及空氣的散熱量較少，因此最大溫度值變化幅度較小，在軸速增加的過程中，變化幅度有所增加。在后唇角15°～30°的變化過程中，摩擦面上的溫度幾乎沒有變化，這是因為雖然后唇角的增大強化了與空氣的換熱，但空氣的換熱系數(shù)較低，帶走的熱量較少。

3.3 接觸寬度對摩擦面溫度最大值的影響

油封安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，形成一個具有一定寬度的摩擦面，摩擦面寬度過小會造成油封的泄露，造成密封失效；寬度過大會增大與軸的摩擦，增加生熱量，導致摩擦面上出現(xiàn)過高的溫度。取徑向力40N，前唇角45°，后唇角30°，隨著軸速的增加，不同接觸寬度下摩擦面上的溫度最大值變化如圖4所示。從圖4可以看出，在摩擦生熱量不變的情況下，隨著摩擦面寬度的增加，最大溫度值逐漸降低，且隨著軸速的增加，寬度的變化對溫度的影響逐漸增大。

圖4 不同接觸寬度時摩擦面上溫度最大值的變化

3.4 抱軸力對摩擦面溫度最大值的影響

油封以一定的過盈量安裝在軸上，當軸旋轉(zhuǎn)時，油封對軸產(chǎn)生抱軸力。抱軸力的增大使油封唇口與軸表面之間的摩擦扭矩增加，增大了油封唇口與軸之間的摩擦，更多的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽e聚在摩擦部位，使得摩擦面的溫度升高，加速了唇口的老化、變硬和磨損，影響油封的使用性能和壽命。

取前唇角 45°，后唇角 30°，接觸寬度0.5mm，隨著軸速的變化，不同抱軸力下摩擦面上的最大溫度值如圖5所示。在相同轉(zhuǎn)速下，隨著抱軸力的增加，摩擦面溫度最大值逐漸增加。隨著軸速的增加，溫度增加的幅度逐漸變大。

圖5 不同抱軸力下摩擦面溫度最大值的變化

4 結(jié) 論

采用二維軸對稱模型對車橋旋轉(zhuǎn)唇形油封工作過程中在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下摩擦面上的溫度變化進行模擬，得出以下結(jié)論：

（1）隨著軸速的增加，摩擦面上的溫度最大值逐漸增加。隨著前唇角的增大，摩擦面上的溫度最大值逐漸降低，幅度較小，隨著軸速的增加，變化幅度逐漸增大，前唇角對摩擦面溫度最大值的影響較小；隨著后唇角的增加，摩擦面上的溫度幾乎沒有變化，后唇角對摩擦面上溫度最大值幾乎沒有影響。隨著寬度的增加，摩擦面上的溫度逐漸降低，在寬度較小時，變化趨勢較弱，隨著寬度的增加，溫度下降幅度增加。隨著軸速的增加，寬度對溫度最大值變化的影響逐漸增強。

（2）摩擦面上的溫度最大值隨著抱軸力的增加而增加，且隨著軸速的增加，溫度增加的幅度逐漸變大。軸速、前唇角、后唇角的變化是從散熱方面改變摩擦面的溫度，摩擦面寬度、抱軸力是從摩擦生熱方面改變摩擦面溫度。其中，軸速、接觸寬度及抱軸力對摩擦面溫度的影響較為顯著。

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