油封密封性能的實驗研究

唐　陳,　趙良舉,　杜長春,　李云飛,　侯激波

(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)

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油封密封性能的實驗研究

唐陳1,趙良舉1,杜長春2,李云飛2,侯激波1

(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)

文章在油封試驗機上對軸徑相同而結構不同的4種油封進行密封性能實驗,在有、無彈簧2種情況下,測量不同軸轉速下的泵汲率和唇部溫度,以及油腔油溫隨時間的變化。結果表明:泵汲率的大小與油封結構和彈簧彈力大小有關,除1種油封外,其他油封的泵汲率隨軸轉速的增加而增加;油封的摩擦生熱性能不僅與油封結構相關,還受彈簧影響,彈簧的彈力越大,生熱量越大。

油封;泵汲效應;摩擦生熱;密封性能

油封具有結構簡單、安裝方便、密封性能好、價格低廉、對機械振動和軸偏心適應性好等優點,被廣泛應用于工農業旋轉機械,將需要潤滑的轉動部件與外部環境隔離,防止潤滑油的泄漏和外部雜物進入潤滑油。

在軸靜止時,依靠油封唇口與軸的過盈配合實現靜密封;而當軸轉動時,在油封唇口與軸表面之間會形成一層潤滑油膜,將油封唇口與軸表面分開,以減少油封唇口的磨損和摩擦生熱量[1]。對于油封的動態密封機理,研究者提出了不同的理論來解釋,主要有Jagger提出的表面張力理論[2],日本的赤崗純提出的邊界潤滑理論、荒井芳田提出的吸引理論，以及Horve提出的泵汲效應[3]。泵汲效應能比較合理地解釋密封機理,根據泵汲效應原理，由于油封結構使得油封唇口空氣側和油側的壓力分布為非對稱,油側的壓力梯度大于空氣側的壓力梯度。當軸轉動時,油封唇口的微觀粗糙組織在周向剪切應力的作用下發生變形,這些變形的微觀粗糙體像泵的葉片,使油膜中的部分流體的流動方向由周向變為軸向。空氣側和油側各有1個向接觸壓力最大處的泵汲流,然而空氣側的泵汲能力更大,泄漏的潤滑油被泵汲回油側。

根據這一理論,文獻[4]建立不同的微觀粗糙模型,并且考慮橡膠的黏彈性流體動力學,通過求解雷諾方程研究油封的泵汲效應和摩擦扭矩等；文獻[5]考慮油封唇口表面的粗糙度,用熱彈性流體動力學研究油封唇口流場和溫度場；文獻[6-7]通過理論分析和有限元模擬相結合的方法,建立油封唇口三維模型研究油封密封性能,并與二維模型進行了對比；文獻[8]利用流動因子法研究油封的混合潤滑模型,分析油封結構參數和運行工況對油封密封性能的影響；文獻[9]建立油封二維軸對稱模型,研究油封結構參數和軸轉速對油封唇口溫度的影響和溫度對密封性能的影響；文獻[10-11]利用有限元軟件建立油封二維軸對稱模型分析結構參數對油封唇口接觸壓力分布的影響；文獻[12]在油封實驗機上對不同規格的油封進行摩擦特性和泵汲效應研究,這是為數不多的實驗研究之一。

由于唇口尺寸太小,并且與軸存在相對運動,直接通過實驗測量得到唇口溫度比較困難,目前對油封唇口溫度的研究大多數是基于數值模擬的,缺乏相關實驗數據。本文對軸徑為80 mm的4種不同結構的油封,在油封試驗機上針對有、無彈簧2種情況,測量不同軸轉速時各種油封的泵汲率;采用在油封唇部埋設熱電偶的方法,測得油封唇部溫度,同時測量出油溫的變化,為油封的理論研究和結構優化提供實驗數據。

1　實驗原理

1.1泵汲實驗原理與油封唇部溫度測量方法

由泵汲效應原理可知,正常工作的油封是將泄漏到空氣側的潤滑油泵汲回油側,以防止泄漏。因此,可以將油封反裝在油封試驗機上,測量每小時泄漏的潤滑油量,即通常認為的泵汲率。

油封唇部溫度測量示意圖如圖1所示。

圖1　油封唇部溫度測量示意圖

油封唇口與軸表面之間存在相對運動,接觸寬度只有零點幾毫米,油膜厚度為微米級,因此,不能直接測量油封唇口溫度，只能通過其他方法間接獲得。本實驗采用OMEGA熱電偶,型號為TT-K-30,在油封油側鉆1個小孔,將熱電偶埋設于油封唇部,為了減少誤差,在油封唇部圓周上下左右各埋設1個熱電偶,每個熱電偶之間相差90°。為了方便對比油封唇部溫度與油溫,在潤滑油中放置2根熱電偶(E和F),同時記錄潤滑油溫度的變化。

1.2實驗方案

實驗用油封是從市場上購買的無回流線普通骨架油封,其材料為丁腈橡膠,規格及相關結構參數見表1所列,將油封分別編號為1#、2#、3#和4#。表1中,δ為過盈量;α為油側角;β為空氣側角;R為彈簧偏移量;P為彈簧彈力。旋轉軸的材質為45#鋼,表面粗糙度為0.2 μm,調質處理到HB230-250,長度為60 mm,油封安裝于軸中間位置。實驗用潤滑油牌號為SG 15W-40,油量加到試驗軸中心位置。試驗前將油封先低速磨合24 h,使其處于穩定工作狀態。軸轉速變化范圍為500～4 000 r/min,每個轉速實驗1 h,然后增加500 r/min。每個油封都先在有彈簧時實驗8 h,然后取出彈簧,待設備和潤滑油溫度自然冷卻至室溫后,再進行無彈簧實驗。

表1　油封規格及結構參數

2　實驗結果分析與討論

2.1泵汲率實驗結果分析

泵汲率實驗結果如圖2所示,除4#油封在有(無)彈簧實驗過程中均沒有顯示出泵汲效應外,其他3種油封的泵汲能力都隨軸轉速的增加而增加。不同結構油封的泵汲能力并不相同。至于4#油封,分析原因可能為過盈量過大,以及結構原因導致油封唇口接觸壓力分布趨于對稱,導致空氣側和油側的泵汲量互相抵消。

由圖2可知,在有彈簧時,1#油封的泵汲能力最大;當軸轉速小于2 500 r/min時,2#油封的泵汲能力小于3#油封;而當軸轉速大于2 500 r/min時,情況恰好相反。從油封結構來分析,1#油封的過盈量適中,油側角與空氣側角相差20°,油封唇口能夠產生非對稱的接觸壓力分布,有利于形成泵汲效應。而2#和3#油封的油側角與空氣側角相差要小些,因此泵汲能力相對較弱。對比可以發現,1#和3#油封在無彈簧情況下的泵汲率都有所增加，從表1可見,這2種油封的過盈量適中,彈簧對接觸壓力的貢獻較大,因此在取下彈簧后,油封唇口的徑向接觸壓力變小,油膜厚度增加;同時,油側和空氣側的接觸壓力也發生相應變化,最終導致泵汲率較大的變化。2#油封的彈簧彈力最小,彈簧對整個油封唇口的接觸壓力分布的影響較小,有彈簧時的泵汲率反而比無彈簧時的泵汲率大。

圖2　泵汲率隨軸轉速的變化

2.2油封唇部溫度和油腔油溫測量結果分析

1#油封有彈簧時的實驗溫度隨時間變化關系如圖3所示,由圖3可知,測量得到的油封唇部溫度(熱電偶A、B、C和D)能基本反映油封唇部溫度隨軸轉速變化的規律。軸剛開始轉動時,摩擦產生的熱量主要用于加熱軸和油封唇體。然后熱量通過軸表面與油的對流換熱進入潤滑油,因此,唇部溫度增加較快,而油溫增加相對較慢。而后唇部溫度和油溫保持一個比較穩定的溫差,共同緩慢增加。當轉速變化時,又會出現類似的變化規律。但是隨著軸轉速和油溫的增加,唇部和油腔的溫升逐漸減小,主要是由于此時油腔壁溫度升高,與周圍環境的自然對流換熱和輻射換熱量增加,使得油封唇口摩擦產生的部分熱量散失到環境中。另外,油封唇口溫度的增加也會使潤滑油黏度減小,引起油膜厚度的變化,唇口摩擦生熱量也發生變化。熱電偶C和D測得的溫度比熱電偶A和B測得的溫度高,其原因為油封安裝存在一定的偏心,以及熱電偶埋設的位置有所差異。對于油腔油溫的測量,由于熱電偶是不固定的,隨著轉速的增加,熱電偶會隨潤滑油一起運動,因此測得的溫度會出現一定的波動和差別,但是和油腔自帶的熱電偶顯示的溫度差別不大。為了比較4種油封的摩擦生熱性能,簡化數據分析過程,下面給出的溫度變化曲線均為平均值。

圖3　1#油封(有彈簧)測量溫度隨時間變化

油封唇部溫度和油腔油溫隨時間和轉速變化關系如圖4所示。

由圖4可知,油封唇部溫度和油腔油溫都隨軸轉速的增加而增加。有彈簧實驗測得的溫度比無彈簧時測得的溫度高,主要是由于彈簧使油封唇口對軸的抱軸力增加,唇口接觸應力和接觸寬度增加,從而導致摩擦力和摩擦生熱量增加。

圖4　油封實驗測量溫度隨時間變化

另外，不同的彈簧彈力對油封生熱的影響不同,其中2#油封的彈簧彈力最小,因此彈簧對油封摩擦生熱的影響最小,這與彈簧對泵汲率的影響類似。盡管4#油封彈簧的彈力與3#油封彈簧的彈力接近,但是對油封摩擦生熱的影響卻要小得多,主要是由于4#油封過盈量較大,彈簧對油封唇口接觸應力的作用相對變小。

相反,1#和3#油封的過盈量和彈簧彈力適中,彈簧對油封摩擦生熱的影響較大。

油腔油溫實驗前、后溫度變化見表2所列。由表2可知,在相同實驗條件下,3#油封摩擦生熱量和油溫增量最大,其次為4#和2#,1#油封的摩擦生熱量最小。另外,從泵汲率實驗結果來看,1#油封的泵汲能力最強,因此,1#油封的密封性能最好,會有更長的使用壽命。

表2　油腔油溫實驗前、后溫度變化　 ℃

3　結　　論

油封的泵汲率與油封結構和彈簧彈力大小有關,除其中1個油封外,其他油封的泵汲率隨軸轉速的增加而增加。油封的摩擦生熱性能不僅與油封結構相關,還受彈簧影響,彈簧的彈力越大,生熱量越大。綜合實驗結果來看,1#油封具有最大的泵汲能力,最小的摩擦生熱量,因此,1#油封的密封性能最好。

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(責任編輯張淑艷)

Experimental study of sealing property of oil seal

TANG Chen1,ZHAO Liangju1,DU Changchun2,LI Yunfei2,HOU Jibo1

(1.College of Power Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China; 2.Duke Seals(Chongqing) Ltd., Chongqing 400039, China)

The experiment on sealing performance of four oil seals with the same diameter but different structures was carried out on the oil seal testing machine. The pumping rate and temperature in the lip under different shaft speeds with and without spring were measured, and the change of oil temperature in the chamber with time was also measured. The results show that the pumping rate is affected by the structure of oil seal and the spring force. The pumping rate increases with the increase of shaft speed except one of the seals. The generation of frictional heat is affected by the structure of the oil seal and the spring. The greater the elasticity of the spring, the greater the heat generation.

oil seal; pumping effect; frictional heat; sealing property

2015-03-26

重慶市自然科學基金資助項目(CSTC2007BB6184);中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(CDJZR11140002)

唐陳(1986-),男,四川成都人,重慶大學碩士生;

趙良舉(1970-),男,重慶市人,博士,重慶大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.08.005

TB42

A

1003-5060(2016)08-1027-04