輪轂軸承徑向直通式迷宮密封的數值分析

雷賢卿，牛 屾，范玉春,郭長建

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003;2.黎明化工研究院 綜合分廠，河南 洛陽 471001；3.人本集團 技術中心，上海 201411)

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輪轂軸承徑向直通式迷宮密封的數值分析

雷賢卿1，牛 屾1，范玉春2,郭長建3

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003;2.黎明化工研究院 綜合分廠，河南 洛陽 471001；3.人本集團 技術中心，上海 201411)

以輪轂軸承徑向直通式迷宮密封為研究對象，針對影響密封結構的4個參數(間隙寬度、空腔深度、空腔寬度、空腔數目)，運用計算流體力學和正交試驗方法，通過FLUENT軟件的仿真計算，確定了泄漏量最小的密封結構最優參數，探討了各因素對泄漏量的影響規律。研究結果表明：泄漏量隨間隙寬度的增加而增加，隨空腔深度或者空腔寬度的增加先減小后增加，隨空腔數目的增加而減少。此外，隨著進出口壓差的增加，泄漏量幾乎呈線性增加，但是軸承轉速對泄漏量的影響很小。

輪轂軸承；迷宮密封；正交試驗；泄漏量

0 引言

輪轂軸承是汽車的一個非常重要的零部件，其主要作用是承重和為輪轂的轉動提供精確引導。如果輪轂軸承的密封能力不好，會導致其內部潤滑脂的泄漏和外部泥沙、水汽、灰塵等污染物的侵入，不僅影響軸承的使用壽命，有時還會造成嚴重的交通事故[1-2]。因此，汽車對輪轂軸承的密封能力有著非常嚴格的要求。

為改善輪轂軸承的密封能力，國內外一些專家學者也進行了研究。文獻[3]對輪轂軸承的密封唇采用了大“U”形結構和主副密封唇結構。文獻[4]設計了軸向和徑向雙唇口互補接觸式密封。文獻[5]對雙列汽車輪轂軸承開發了低摩擦整體式密封。雖然這些研究在一定程度上提高了軸承的密封效果，但大多是生產廠家靠經驗或者類比對某一軸承在某一工況下的多唇接觸式密封結構的改進，沒有建立在軸承漏脂的根本原因上去分析，而且參數確定的理論依據也不夠充分。

文獻[6]揭示了密封軸承漏脂的根本原因：(1)軸承運轉引起了內部潤滑脂的重新分布；(2)軸承在運轉時引起了內部空氣溫度的升高，高溫導致了氣壓的增加，增加的氣壓推動密封唇向外擴張開了一個通道使得潤滑脂被擠出，從而造成了漏脂現象的發生。因此，僅僅依靠改進多唇接觸式密封結構并不能從根本原因上解決輪轂軸承單元的漏脂問題，需要對其選用能夠轉化、衰減內部氣壓聚集的密封結構。

迷宮密封具有摩擦小、壽命長的優點，適用于中高速場合。氣流每通過一級腔室的溫度升高，壓力逐級降低，就達到了密封的目的[7]。考慮到輪轂軸承的軸向尺寸緊湊，徑向尺寸較大，因此，徑向迷宮比較適合汽車輪轂軸承，易形成良好的密封。由于“迷宮式”密封結構本身具有的功能優勢，可以把它作為研究新型低摩擦力矩密封結構的一個方向[8]。

本文以圖1所示的某汽車輪轂軸承單元徑向直通式迷宮密封結構為研究對象，對其內部流場區域建立二維模型，應用計算流體力學(CFD)軟件平臺，結合計算流體力學相關理論和正交試驗設計方法，研究間隙寬度、空腔深度、空腔寬度、空腔數目、進出口壓比和軸承轉速對泄漏量的影響規律。

1 流體控制方程

流體在迷宮密封內的流動過程，可以認為是二維穩態標準湍流流動[9]。流體在迷宮密封中的流動采用雷諾平均Navier-Stokes方程和k-ε湍流模型來描述。包括連續性方程、能量方程、湍動能方程、動量方程和耗散率方程[10]。使用散度符號可寫出方程的通用形式：

圖1 輪轂軸承徑向直通式迷宮密封結構

div(Γgradφ)+S，

(1)

對式(1)的離散采用有限體積法，連續性方程、能量方程和動量方程的離散格式采用高精度的二階迎風格式，湍動能方程和耗散率方程采用一階迎風格式，壓力插值格式采用標準插值。

2 模型建立和網格處理

考慮到圖1所示輪轂軸承單元的公稱尺寸和內外圈厚度，對其徑向直通式迷宮密封的二維流場區域模型總長定為7.8 mm，密封齒寬度定為0.5 mm,壓力入口距軸承旋轉中心軸距離定為21.0 mm，并引入間隙寬度A、空腔深度B、空腔寬度C和空腔數目D這4個結構參數。

采用ANSYS ICEM CFD前處理軟件對該模型生成的二維四邊形結構化網格。為了保證計算精度，最大網格尺寸為0.01 mm，并對流動比較復雜的近壁面處進行網格加密處理[11]。

3 模擬條件和收斂標準

采用ANSYS FLUENT軟件進行仿真計算。由于是軸承運轉時內部產生的氣壓聚集導致了漏脂發生，因此工作介質采用理想氣體。模型入口采用“壓力入口”，模擬工作總壓為0.16 MPa，氣流方向垂直于入口邊界；出口壓力為大氣壓，其值為0.10 MPa。輪轂軸承模擬內圈工作轉速為3 000 r/min，其中心軸即為密封流場的旋轉軸。

求解器采用SIMPLE算法。當連續性方程、速度、湍動能及湍動能耗散率的殘差都小于1×10-4、能量方程的殘差小于1×10-6、進出口流量相差小于0.1%時[12]，可認為仿真計算收斂。用迷宮密封“壓力出口”的質量流速來表示理想氣體的仿真泄漏量。仿真泄漏量越小，說明氣壓在迷宮密封內轉化、衰減的越充分，密封性能就越好。

4 正交試驗設計和仿真結果分析

4.1 正交試驗和仿真結果

正交試驗中基于四因素三水平的正交方法已被證明是一種科學、合理的方法。對模型中引入的4個結構參數，記作間隙寬度A、空腔深度B、空腔寬度C和空腔數目D，每個因素各取3個水平，表1為試驗因素和水平表。

表1 矩形空腔迷宮正交試驗因素和水平表

表2為正交試驗的模擬方案和結果。表2中，“Kij”表示第j個因素在第i個水平下試驗數據之和的平均值，各因素平均值的最小值為該因素的優選水平。因此，本文取正交試驗的優選方案1、2、2、3，并測得該方案下仿真泄漏量為0.012 2 kg/s，其壓力分布云圖和速度分布云圖，分別如圖2和圖3所示。

表2 正交試驗的模擬方案和結果

圖2 優選方案下的壓力分布云圖(單位：Pa) 圖3 優選方案下的速度分布云圖(單位：m/s)

綜合圖2和圖3可以看出：在壓差推動下，氣流從入口高壓側向出口低壓側流動。當氣流進入密封間隙時，由于流道變窄，流速增高，壓力降低，即壓力勢能轉化為動能。當氣流進入空腔時，由于流動截面面積突然增大，從間隙出來形成高速射流的氣體和空腔內部低速湍流的氣體之間不斷發生摩擦和摻混，產生了劇烈的繞流漩渦，使得氣體大部分動能轉化為熱能，氣體在每一個空腔的平均流速逐漸降低。迷宮密封的密封效果就是通過以上過程不斷重復實現的。

4.2 間隙寬度對泄漏量的影響規律

僅改變優選方案1、2、2、3下間隙寬度的值，對2、2、2、3和3、2、2、3方案建立模型并仿真計算，仿真泄漏量分別為0.037 12 kg/s和0.075 45 kg/s，得其速度分布云圖，分別見圖4和圖5。

圖4 方案2、2、2、3下的速度分布云圖(單位：m/s) 圖5 方案3、2、2、3下的速度分布云圖(單位：m/s)

根據計算結果可以得出：泄漏量隨間隙寬度的增加而迅速增大。比較圖3、圖4和圖5可知：隨著間隙寬度的增加，直通效應顯著增加，間隙射流和空腔中繞流漩渦的強度明顯減弱，導致氣體從間隙和空腔上部高速流出，泄漏量增大。所以，減小間隙寬度可有效提高迷宮密封的密封能力。但是輪轂軸承在實際運行中，受到生產裝配和熱膨脹接觸磨損的影響，間隙寬度不可能無限小，應綜合考慮各方面的因素而定。

4.3 空腔深度對泄漏量的影響規律

僅改變優選方案1、2、2、3下空腔深度的值，分別對1、1、2、3和1、3、2、3方案建立模型并仿真計算，仿真泄漏量分別為0.012 43 kg/s和0.012 37 kg/s。

根據計算結果可以得出：隨著空腔深度的增加，泄漏量呈現出先減小后增大的趨勢。這是因為：當空腔深度較淺時，空腔中繞流漩渦的強度較弱，能量轉化不夠充分，臨近壓力出口的空腔上部氣流速度較大。當空腔深度較深時，左端出來的氣流進入空腔后在中部產生繞流漩渦，但空腔右下方的氣流速度很低，參與能量轉化的作用很小，導致間隙左端的高速射流大部分直接流向下一個空腔。而在優選方案的空腔深度下，繞流漩渦完整清晰，說明動能轉化熱能耗散基本充分，臨近壓力出口的空腔上部氣體平均流速明顯降低。

4.4 空腔寬度對泄漏量的影響規律

僅改變優選方案1、2、2、3下空腔寬度的值，分別對1、2、1、3和1、2、3、3方案建立模型并仿真計算，仿真泄漏量分別為0.013 56 kg/s和0.013 93 kg/s。

根據計算結果可以得出：泄漏量隨空腔寬度的增加先減小后增加。這是因為：當空腔寬度較小時，氣流在空腔的中部偏右處產生了強烈的繞流漩渦，導致空腔右上方氣流速度較高，大部分從間隙出來的射流直接流向壓力出口，因此和優選方案相比，該方案的泄漏量增大。當空腔寬度較大時，氣流在空腔的中部偏左處形成漩渦，而空腔右下方氣流速度較低，參與能量轉化不充分，導致空腔上方大部分氣體高速流出，因此和優選方案相比，該方案的泄漏量也增大。

4.5 空腔數目對泄漏量的影響規律

僅改變優選方案1、2、2、3下空腔數目的值，分別對1、2、2、1和1、2、2、2方案建立模型并仿真計算，仿真泄漏量分別為0.013 69 kg/s和0.013 27 kg/s，得其速度分布云圖，分別如圖6和圖7所示。

圖6 方案1、2、2、1下的速度分布云圖(單位：m/s) 圖7 方案1、2、2、2下的速度分布云圖(單位：m/s)

根據計算結果可以得出：泄漏量隨空腔數目的增加而減小。比較圖3、圖6和圖7可知：隨著空腔數目的增加，發生節流降壓和繞流漩渦的次數也隨之增加，使得每個空腔都經歷了動能轉化為熱能的過程，氣流的平均速度逐漸減小，泄漏量減小。但是迷宮密封的空腔數目不可能無限增大，應根據輪轂軸承的具體型號，在保證密封圈整體強度的前提下，適當增加空腔數目，從而提高密封能力。

5 進出口壓比和軸承轉速對泄漏量的影響規律

僅改變迷宮密封進出口的壓比，取值為1.1～2.0，其他模擬條件不變，對優選方案進行仿真計算。圖8給出了泄漏量隨進出口壓比的變化規律。從圖8可以看出：隨著迷宮密封進出口壓比的增大，泄漏量幾乎呈線性增加。

圖8 泄漏量隨進出口壓比的變化規律

僅改變輪轂軸承的內圈轉速，取值為1 000～8 000 r/min，其他模擬條件保持不變，對優選方案進行仿真計算。仿真結果表明：軸承轉速對迷宮密封的泄漏量影響不大。

6 結論

(1)間隙寬度對輪轂軸承的密封能力起著決定性作用，泄漏量隨著間隙寬度的增加而迅速增大。應在保證軸承裝配和運行的前提下，選擇盡可能小的間隙寬度，提高其密封能力。

(2)隨著空腔深度或者空腔寬度的增加，泄漏量均呈現出先減小后增加的趨勢。因此，在生產實際中，應根據輪轂軸承的具體型號建立模型，并通過仿真計算確定其最優的空腔深度和空腔寬度。

(3)泄漏量隨空腔數目的增加而減少。在保證輪轂軸承迷宮密封圈強度的前提下，可適當增加空腔數目，提高其密封能力。

(4)泄漏量隨著迷宮密封進出口壓比的增加而增加，但是軸承轉速對泄漏量的影響不大。

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國家科技部重大專項基金項目(2012ZX04004011-053);河南省基礎與前沿技術研究計劃基金項目(122300410114)

雷賢卿(1963-),男,河南洛陽人,教授,博士，博士生導師,主要從事先進制造技術方面的研究.

2014-12-15

1672-6871(2015)04-0018-05

TH136

A