高壓高轉(zhuǎn)速服役特征下唇形油封失效機(jī)制

李 斌, 邢楊濤， 李勝男， 翟富剛

(1.燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004；2.河北省輕質(zhì)結(jié)構(gòu)裝備設(shè)計(jì)與制備工藝技術(shù)創(chuàng)新中心， 河北 秦皇島 066004)

引言

唇形油封作為基礎(chǔ)件，廣泛應(yīng)用在航空航天、國防軍工和工程機(jī)械等領(lǐng)域。隨著機(jī)械設(shè)備的更新迭代，其工況條件逐漸向著高壓和高速方向發(fā)展。高壓高轉(zhuǎn)速服役特征下，油封在綜合傳動裝置研發(fā)和試驗(yàn)過程中出現(xiàn)泄漏問題，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低或介質(zhì)壓力值下降時，泄漏現(xiàn)象消失。與密封件磨損、橡膠老化等失效形式不同，油封在高壓高速下出現(xiàn)的失效可于低壓低轉(zhuǎn)速條件得到恢復(fù)。因此，為避免油封在高壓高速工況下出現(xiàn)泄漏問題，需要深入掌握其在高壓高轉(zhuǎn)速服役特征下的失效機(jī)制及規(guī)律。

國內(nèi)外對油封密封機(jī)理的研究較早且深入，MULLER H K[1]和錢德森[2]提出了泵汲理論，被公認(rèn)為唇形油封的密封機(jī)理，并指出密封接觸區(qū)域的非對稱壓力分布是油封形成泵送作用的決定性因素?；诒眉忱碚?，學(xué)者對油封進(jìn)行了大量研究，如油封結(jié)構(gòu)參數(shù)[3-4]、密封材料屬性[5]和工況參數(shù)[6-7]等均會影響油封泵汲效應(yīng)，并指出油封接觸特性中接觸寬度和最大接觸應(yīng)力是影響其泵汲效應(yīng)的關(guān)鍵因素。學(xué)者進(jìn)一步探究油封泵汲效應(yīng)的影響規(guī)律，如陳建壘等[8]比較了2種結(jié)構(gòu)油封的接觸應(yīng)力，指出最大接觸應(yīng)力增大可提高油封的密封效果；吳莊俊等[9]指出隨著接觸寬度的增加，唇口接觸應(yīng)力均勻分布，不利于促進(jìn)泵汲效應(yīng)。

此外，ZPERK等[10]發(fā)現(xiàn)油壓對典型油封性能的影響明顯，油壓分別為0 MPa和0.05 MPa時，油封性能差異較大；王文強(qiáng)等[11]考察了油封在中低壓工況下的性能，比較了幾種典型油封的耐壓性能，指出油壓升高嚴(yán)重影響了油封的可靠性和壽命。HUANG X等[12]指出增加轉(zhuǎn)速，可以提高油封的密封性能，但同時也增大密封區(qū)域溫度，加速密封件老化。李珍蓮等[13]針對高速下唇形油封進(jìn)行分析，指出高速引起的摩擦熱使唇口回彈性下降，導(dǎo)致密封失效。可以看出，介質(zhì)壓力、轉(zhuǎn)速對油封的影響作用明顯，現(xiàn)有研究大部分在無壓或微壓工況下開展，高壓和高轉(zhuǎn)速共同作用對油封產(chǎn)生如何影響尚未明晰。

因此，本研究以典型唇形油封為例，綜合考慮油封區(qū)域摩擦生熱，分析高壓、高速下油封的變形特征和接觸特性，揭示高壓高轉(zhuǎn)速下油封的失效機(jī)制，探索油封在高壓高轉(zhuǎn)速服役特征下的適用條件范圍，為唇形油封的選用、設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供參考，對于提升設(shè)備和裝置的可靠性具有重要意義。

1 油封密封機(jī)理及失效判斷條件

唇形油封密封機(jī)理是泵汲效應(yīng)，泵汲效應(yīng)存在，保障油液從空氣側(cè)流向油側(cè)，使油封具有密封效果；泵汲效應(yīng)消失，油液從油側(cè)流向空氣側(cè)，出現(xiàn)泄漏，使油封失效，典型油封密封機(jī)理如圖1所示。

圖1 典型油封密封機(jī)理Fig.1 Sealing mechanism of typical oil seal

由圖1可知，唇形油封主要由密封體、金屬骨架和卡緊彈簧組成，油側(cè)和空氣側(cè)2個錐形表面交叉形成唇口。油封與旋轉(zhuǎn)軸過盈配合，并且卡緊彈簧作用，油封唇口在徑向產(chǎn)生接觸應(yīng)力，由于唇口結(jié)構(gòu)的存在，接觸應(yīng)力呈新月形的分布。同時，徑向接觸應(yīng)力使油封與轉(zhuǎn)軸間存在摩擦力，唇口與轉(zhuǎn)軸接觸區(qū)域間的粗糙峰受摩擦力作用產(chǎn)生切向變形而形成V形槽道，V形槽道將潤滑油同時從油側(cè)和空氣側(cè)泵向唇口中間。其中槽道形狀與接觸應(yīng)力分布規(guī)律相同，僅當(dāng)最大接觸應(yīng)力點(diǎn)偏向油側(cè)時，油封空氣側(cè)的泵汲能力強(qiáng)于油側(cè)，油液整體呈現(xiàn)從空氣側(cè)向油側(cè)的流動狀態(tài)，保障泵汲效應(yīng)存在，使油封具有密封效果。因此泵汲效應(yīng)存在與否的決定性因素在于最大接觸應(yīng)力點(diǎn)的位置，本研究以此為標(biāo)準(zhǔn)展開分析。

選用尺寸為100 mm×125 mm×12 mm的唇形油封，并根據(jù)GB/T 9877—2008設(shè)定其結(jié)構(gòu)參數(shù)，材料為氟橡膠(FKM)，搭建油封二維軸對稱有限元模型，包括密封體、金屬骨架和旋轉(zhuǎn)軸，其中卡緊彈簧通過徑向力計(jì)算[14]進(jìn)行等效設(shè)置。油封在介質(zhì)壓力為0時的接觸特性如圖2所示，定義σmax為最大接觸應(yīng)力值，b為接觸寬度，x1為最大接觸應(yīng)力點(diǎn)距油側(cè)長度，x2為最大接觸應(yīng)力點(diǎn)距空氣側(cè)長度。圖中，x1小于x2，最大接觸應(yīng)力點(diǎn)偏向油側(cè)，接觸應(yīng)力在其接觸寬度b上的分布情況如圖3所示，根據(jù)接觸應(yīng)力的非對稱分布形式，可以判斷油封在不受介質(zhì)壓力時可以形成泵汲效應(yīng)，使油封具有密封效果。

圖2 無壓力載荷時油封唇口接觸應(yīng)力云圖Fig.2 Contact stress nephogram of oil seal without pressure load

圖3 無壓力載荷時油封接觸應(yīng)力分布Fig.3 Contact stress distribution of oil seal without pressure load

2 介質(zhì)壓力與轉(zhuǎn)速對油封的影響

2.1 介質(zhì)壓力對油封的影響

在油側(cè)作用面施加介質(zhì)壓力載荷，如圖4所示，并采用上述二維軸對稱有限元模型分析壓力對油封接觸特性的影響。不同壓力下油封唇口處的接觸寬度和最大接觸應(yīng)力如圖5所示，可以看出，0～0.7 MPa范圍內(nèi)，隨著介質(zhì)壓力的增加，油封的接觸寬度逐漸變大；而最大接觸應(yīng)力先增大后減小，其中在0～0.15 MPa范圍時，最大接觸應(yīng)力值隨介質(zhì)壓力的增大而增加，壓力超過0.15 MPa后逐漸減小。由于油封接觸寬度增加、最大接觸應(yīng)力減小，使其接觸應(yīng)力在接觸寬度上均勻分布，進(jìn)而導(dǎo)致接觸應(yīng)力梯度減小，油封泵汲效果下降，最終可能導(dǎo)致油封失效。

圖4 油封介質(zhì)壓力施加方式Fig.4 Pressure application mode of oil seal

圖5 壓力對油封接觸特性的影響Fig.5 Effect of pressure on contact characteristics of oil seal

介質(zhì)壓力增大導(dǎo)致油封接觸特性變化表現(xiàn)有兩方面：一是介質(zhì)壓力的增大，加劇了油封唇口對旋轉(zhuǎn)軸的擠壓力；二是油封受到介質(zhì)壓力后，其腰部發(fā)生塌陷變形，如圖6所示，腰部向軸側(cè)變形，導(dǎo)致整個唇口部分發(fā)生翹曲，唇口翹曲使油封接觸寬度增加。且隨著介質(zhì)壓力的不斷增加，唇口翹曲程度和接觸寬度不斷增大，使油封接觸應(yīng)力趨于均勻分布，導(dǎo)致其最大值逐漸減小。

圖6 油封受壓時變形情況Fig.6 Deformation of oil seal under compression

當(dāng)介質(zhì)壓力繼續(xù)升高時，由于腰部逐漸向軸側(cè)變形，導(dǎo)致唇口部分的翹曲程度加重。當(dāng)唇口部分翹曲到一定程度時，油封的后唇角側(cè)邊完全貼于旋轉(zhuǎn)軸。圖7為壓力0.75 MPa時油封x方向的變形情況，油封的交接點(diǎn)1開始與旋轉(zhuǎn)軸接觸，該接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力隨介質(zhì)壓力的增加快速上升，使長度x1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于長度x2，如圖8所示，此時，油封接觸區(qū)域的最大接觸應(yīng)力點(diǎn)偏向空氣側(cè)，無法形成泵汲效應(yīng)，油封失去密封效果。

圖7 0.75 MPa時油封變形Fig.7 Oil seal deformation at 0.75 MPa

圖8 0.75 MPa時油封接觸應(yīng)力分布云圖Fig.8 Contact stress nephogram of oil seal lip at 0.75 MPa

2.2 轉(zhuǎn)速對油封的影響

油封唇口受擠壓后貼在旋轉(zhuǎn)軸上，在軸高速旋轉(zhuǎn)時，密封區(qū)域處摩擦功轉(zhuǎn)化為熱能。由于橡膠類材料的導(dǎo)熱系數(shù)較小，導(dǎo)致油封溫度逐漸升高，溫度變化對潤滑油和油封材料的性能均產(chǎn)生較大影響。對于潤滑油的影響主要體現(xiàn)在溫度升高使其黏度降低，當(dāng)溫度過高時，可能導(dǎo)致油膜厚度小于極限油膜厚度，使油膜破裂，油封失去密封效果[15]。

油膜厚度h：

(1)

式中，η—— 潤滑油黏度，Pa·s

v—— 旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，m/s

χ—— 最大接觸應(yīng)力梯度，MPa/mm

極限油膜厚度hc：

(2)

式中，x—— 唇口溫度最大值距油側(cè)距離，mm

ρ—— 潤滑油密度，g/cm3

c—— 潤滑油比熱容，J/(kg·K)

當(dāng)轉(zhuǎn)速為5000 r/min時，油封溫度最高達(dá)138 ℃，潤滑油黏度降為6 mPa·s，帶入式(1)、式(2)得到油封的油膜厚度h=2.18 μm，極限油膜厚度hc=1.76 μm，油膜厚度大于極限油膜厚度，油封不會因油膜破裂而失效；且油膜厚度為微米級，對油封唇部、腰部變形的影響可以忽略不計(jì)，故轉(zhuǎn)速在0～5000 r/min 范圍內(nèi)，不同溫度下潤滑油黏度的變化對油封是否具有泵汲效應(yīng)的影響較小。

圖9 溫度對氟橡膠彈性模量的影響Fig.9 Effect of temperature on elastic modulus of FKM

對于密封材料的影響主要體現(xiàn)在溫度的升高使其彈性模量降低，如圖9所示，當(dāng)溫度從0 ℃升高至140 ℃ 時，氟橡膠的彈性模量從60 MPa變?yōu)? MPa。根據(jù)試驗(yàn)測得，轉(zhuǎn)速的增加與油封溫度的升高呈近似線性關(guān)系，轉(zhuǎn)速每增大500 r/min，溫度升高10 ℃左右。以環(huán)境溫度20 ℃時為例，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與油封溫度及氟橡膠彈性模量之間的關(guān)系如圖10所示。

圖10 轉(zhuǎn)速與油封溫度及氟橡膠彈性模量之間的關(guān)系Fig.10 Relationship between rotational speed and temperature of oil seal and elastic modulus of FKM

氟橡膠作為超彈性材料，在有限元仿真過程時用Mooney-Rivlin模型表征其性能。氟橡膠彈性模量與Mooney-Rivlin常數(shù)之間的關(guān)系為：

(3)

(4)

由上述公式，建立環(huán)境溫度20 ℃下，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速與氟橡膠Mooney-Rivlin常數(shù)之間的關(guān)系，如表1所示。

表1 不同轉(zhuǎn)速下氟橡膠Mooney-Rivlin常數(shù)Tab.1 Mooney-Rivlin constant of FKM at different rotational speeds

由于轉(zhuǎn)速導(dǎo)致溫度發(fā)生變化進(jìn)而影響橡膠材料屬性，故將不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)的橡膠Mooney-Rivlin常數(shù)代入二維軸對稱有限元仿真模型，提取油封接觸寬度和最大接觸應(yīng)力如圖11所示，可以看出，轉(zhuǎn)速的增加使油封的接觸寬度增大，最大接觸應(yīng)力減小。油封接觸特性發(fā)生變化是由于其橡膠材料的彈性模量隨轉(zhuǎn)速增加而減小，從而使油封唇部的抵抗變形能力減弱，導(dǎo)致油封腰部向軸側(cè)的變形量增大。如圖12a、圖12b分別為轉(zhuǎn)速500 r/min和3000 r/min時油封在x方向的變形量，其中腰部向軸側(cè)的變形量分別為0.09 mm、0.27 mm，可以看出轉(zhuǎn)速3000 r/min時油封腰部的變形量大于其在500 r/min時的變形量。

圖11 轉(zhuǎn)速對油封接觸特性的影響Fig.11 Effect of rotational speed on contact characteristics of oil seal

綜上，轉(zhuǎn)速增加使油封接觸區(qū)域溫度升高，橡膠材料的彈性模量降低，使油封在受擠壓時抵抗變形能力下降，增大其腰部向軸側(cè)變形量，進(jìn)而導(dǎo)致油封的接觸寬度增加，最大接觸應(yīng)力減小。

圖12 轉(zhuǎn)速對油封x方向變形量的影響Fig.12 Effect of rotational speed on deformation in x direction of oil seal

2.3 介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速對油封的綜合影響

以0.05 MPa的壓力步長和1000 r/min的轉(zhuǎn)速步長對油封施加載荷，分析其在綜合工況條件同時作用下的接觸特性和變形特征。以接觸寬度表征油封腰部向軸側(cè)的變形量以及唇部的翹曲程度，介質(zhì)壓力、轉(zhuǎn)速與油封接觸寬度間的關(guān)系，如圖13所示?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)速工況的施加使接觸寬度明顯增加；且隨著轉(zhuǎn)速增大，接觸寬度隨介質(zhì)壓力變化的速率明顯變大，油封對工況條件變化更為敏感。與僅受介質(zhì)壓力載荷比較，綜合作用下的油封腰部變形、唇部翹曲程度加劇，且變形增量的變化速率隨轉(zhuǎn)速的增大而加快。圖14給出了油封介質(zhì)壓力0.3 MPa，轉(zhuǎn)速分別在0，1000，3000 r/min時的腰部塌陷情況，其腰部向軸側(cè)的變形量分別為0.62，0.95，1.41 mm。

圖13 壓力和轉(zhuǎn)速綜合作用下油封接觸寬度Fig.13 Contact width of oil seal under combined action of pressure and rotational speed

圖14 0.3 MPa時不同轉(zhuǎn)速下油封x方向變形情況Fig.14 Deformation in x direction of oil seal at different rotational speeds at 0.3 MPa

當(dāng)唇口部分翹曲到一定程度時，接觸區(qū)域中x1大于x2導(dǎo)致油封失去密封性能。本研究分別以轉(zhuǎn)速1000 r/min和3000 r/min為例，施加0.05 MPa步長增量的介質(zhì)壓力，分析x1和x2的變化， 如圖15、圖16所示?？梢钥闯?，轉(zhuǎn)速為1000 r/min，介質(zhì)壓力為0.4 MPa時，x1x2，此時最大接觸應(yīng)力點(diǎn)偏向空氣側(cè)，油封無法形成泵汲效應(yīng)；而轉(zhuǎn)速為3000 r/min時，同理得出，當(dāng)介質(zhì)壓力增大到0.3 MPa時，油封無法形成泵汲效應(yīng)。當(dāng)油封僅受介質(zhì)壓力時，其可靠壓力值為0.7 MPa，故0，1000，3000 r/min轉(zhuǎn)速下其可靠介質(zhì)壓力值分別為0.7，0.4，0.25 MPa，轉(zhuǎn)速增大使油封的可靠介質(zhì)壓力值降低。

圖15 1000 r/min時不同壓力下接觸應(yīng)力分布Fig.15 Contact stress distribution of oil seal under different pressures at 1000 r/min

圖16 3000 r/min時不同壓力下接觸應(yīng)力分布Fig.16 Contact stress distribution of oil seal under different pressures at 3000 r/min

綜上可以看出，油封在高轉(zhuǎn)速作用下溫度升高使氟橡膠的彈性模量降低，導(dǎo)致腰部抵抗變形能力下降，同時施加介質(zhì)壓力后，加劇了油封腰部的塌陷程度，降低其工作可靠性。因此，對油封同時施加介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速載荷，得到其在介質(zhì)壓力與轉(zhuǎn)速共同作用下的可靠工況范圍，如圖17所示，可以看出，當(dāng)油封所受介質(zhì)壓力較高時，其轉(zhuǎn)速條件需降低；相反當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，其介質(zhì)壓力條件需降低。

圖17 可靠介質(zhì)壓力與轉(zhuǎn)速間匹配關(guān)系Fig.17 Matching relationship between reliable pressure and rotational speed

隨著機(jī)械設(shè)備的更新迭代，其工況條件大都使介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速同時提高?？紤]到油封的失效機(jī)制是由于其腰部的過大變形導(dǎo)致，因此可以采用在油封腰部添加支撐或研究新型耐溫耐壓材料等方法對唇形油封進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

本研究以典型唇形油封為對象，考慮高速旋轉(zhuǎn)下油封發(fā)熱引起橡膠材料屬性變化，研究了介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速對油封變形特征和接觸特性的影響及規(guī)律，揭示了高壓高轉(zhuǎn)速服役特征下唇形油封的失效機(jī)制，進(jìn)一步基于泵汲理論判斷得出了該唇形油封的可靠工況范圍，結(jié)論如下：

(1) 介質(zhì)壓力增大使油封腰部塌陷，唇部翹曲嚴(yán)重，導(dǎo)致接觸區(qū)域最大應(yīng)力點(diǎn)位置偏向空氣側(cè)，使油封無法形成泵汲效應(yīng)，失去密封性能；

(2) 轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)下，油封摩擦升溫使其橡膠材料的彈性模量下降，導(dǎo)致油封的抵抗變形能力減弱；

(3) 介質(zhì)壓力與轉(zhuǎn)速共同作用下，油封受轉(zhuǎn)速影響抵抗變形能力下降，同時在介質(zhì)壓力作用下加速其最大接觸應(yīng)力點(diǎn)偏向空氣側(cè)，導(dǎo)致油封失效，且隨轉(zhuǎn)速的增加，可靠介質(zhì)壓力值降低。