往復式骨架油封溫度場的動態分析*

(青島科技大學機電工程學院 山東青島 266061)

往復式骨架油封用于往復運動件封油，如汽車減震器油封，在使用過程中會承受很大的壓力(0.8～1.3 MPa，瞬時壓力可達到2 MPa)，是一種使用很廣泛的密封件。往復式骨架油封的工作過程分為內行程和外行程，在外行程中，潤滑油被活塞桿從密封腔體拖出并附著在活塞桿上；在內行程中，附著在活塞桿上的潤滑油被拖回密封腔體。在一次往復行程內，內行程的流通量必須大于或等于外行程的流通量，以便將潤滑油泵送回密封腔體從而實現零泄漏[1-2]。

目前研究者主要采用有限元模擬的方法研究往復式骨架油封的性能，研究泵汲率和生熱量隨過盈量和往復速度的變化規律[3]，以及針對油封的損壞與泄漏問題，分析過盈量、往復速度、摩擦因數和流體壓力對油封唇口處等效應力與接觸壓力的影響規律[4]。張佳佳等[5]利用FLUENT軟件分析了軸速、前后唇角、接觸寬度以及抱軸力等參數對油封摩擦面上溫度最大值的影響。

油封失效的主要原因是由唇口溫度過高引起的橡膠老化[6]，而以上文獻主要集中研究了油封的結構參數和外界工況對油封性能的影響，但都沒有給出合理的取值范圍。因此，本文作者采用ABAQUS軟件模擬往復式骨架油封唇口處的溫度場，分析過盈量、流體壓力、往復速度和摩擦因數對油封唇口處溫度的作用規律，再依據所選橡膠材料的適用溫度范圍，得出過盈量、流體壓力、往復速度和摩擦因數的合理取值區間，從而提高往復式骨架油封的密封性能。

1 往復式骨架油封的有限元模型

1.1 往復式骨架油封的幾何模型

文中所選往復式骨架油封結構過于復雜，為避免因素過多影響分析結果，在幾何建模時進行了簡化，由于往復式骨架油封的結構和受力具有軸對稱性，因此往復式骨架油封可以簡化成如圖1所示的二維軸對稱模型。

文中分析的往復式骨架油封由金屬骨架、彈簧圈(包括主簧和副簧)以及橡膠體3部分構成。

圖1 往復式骨架油封的結構Fig 1 Schematic of reciprocating skeleton oil seal

金屬骨架主要起加強作用，它能使油封唇口保持形狀及張力不變；彈簧圈的主要作用是提供適當的徑向抱緊力，以利于密封介質的密封和防塵，而文中僅考慮主簧作用[7]；密封唇是彈性橡膠體，主要作用是保持唇部與軸表面穩定接觸。根據密封效果，密封唇可分為主唇、二道唇、防塵唇和封氣唇。其中密封作用依靠主唇來實現，也是文中分析對象，其他唇起輔助作用。

1.2 往復式骨架油封主唇處力學模型

往復式骨架油封主唇處受力示意圖如圖2所示。其中F1為主簧對主唇處的徑向力；p為密封流體對主唇處的壓力；F2為安裝過盈量對主唇處的預緊力。在此基礎上，建立往復式骨架油封的有限元模型，進而研究往復式骨架油封主唇處的溫度場分布。

圖2 主唇處受力示意圖Fig 2 Force diagram of main lip

1.3 往復式骨架有限元模型

1.3.1 材料模型

為了方便有限元模型求解，作出以下兩點假設：

(1)密封唇必須具有確定的彈性模量和泊松比；

(2)將活塞桿、主簧、副簧和骨架設為剛體[8]；

(3)密封唇表面光滑。

由于橡膠材料屬于不可壓縮的超彈性材料，而且本身具有非線性，因此，唇口在與活塞桿的過盈配合中會產生較大變形。文中采用Mooney-Rivlin模型描述橡膠材料的應變能函數[9]，其應變能密度函數為

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(1)

式中:W為應變能密度函數；C10和C01為Mooney-Rivlin材料系數,均為正定常數；I1和I2為Green應變張量的2個主不變量[10]。

文中設置往復式骨架油封的骨架、彈簧圈(包括主簧和副簧)以及活塞桿為剛體，其參數為：彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7.8×10-6kg/mm3，熱導率為45.4 W/(m·K)，比熱容為460 J/(kg·K)。唇口橡膠材料為丁腈橡膠，參數為：硬度70～90，適用溫度-60～180 ℃，密度1.2×10-6kg/mm3，熱導率0.25 W/(m·K)，比熱容1 700 J/(kg·K)。材料系數C10和C01可由單軸拉伸試驗或根據材料硬度計算得到[11]。已知丁腈橡膠材料硬度HA，將其代入E=(15.75+2.15HA)/(100-HA)和C10=E/6中，可得C10的值，再將C10代入C01=0.25C10中得C01的值[12]。文中取C10=1.87 MPa，C01=0.47 MPa[13]。

1.3.2 唇口處有限元模型

在ABAQUS軟件中進行往復式骨架油封的有限元分析時，建立如圖3所示的二維軸對稱模型。

圖3 唇口處有限元模型Fig 3 The finite element model of the lip (a)instroke; (b)outstroke

1.3.3 約束與載荷的加載

由于活塞桿的外徑略大于密封唇的內徑，因此，兩者之間產生了過盈配合。文中采用如圖3所示的方式模擬兩者之間的過盈量，圖3(a)模擬內行程，圖3(b)模擬外行程。約束往復式骨架油封外沿的所有自由度，模擬將其固定在缸筒內所受約束；在主簧處施加等效集中力模擬往復式骨架油封主唇處所受預緊力F=10 N[14]；用速度約束來模擬活塞桿的往復運動；其中，唇口處的最大溫度受往復速度和運行時間的影響，故文中限制活塞桿的行程，使運行時間和往復速度這兩種因素的取值成對出現，即兩者的乘積總是相同的；對往復式骨架油封唇口處施加載荷模擬油壓對主唇處的作用力；對活塞桿與唇口的接觸處設置不同的摩擦因數來模擬不同的摩擦狀態。此外，還需對整體模型加載初始溫度場模擬室溫，其值為20 ℃；將橡膠主體的邊界設置成絕熱邊界。

2 仿真結果及分析

2.1 過盈量

往復式骨架油封安裝時需要過盈配合，這主要是為了使油封與活塞桿之間形成一個初始的預緊力。為了研究過盈量對油封主唇處最大溫度的影響，取過盈量為0.1～0.4 mm。

在過盈量為0.3 mm,往復速度為0.6 m/s,其他因素值一致的條件下，內外行程中往復式骨架油封唇口處的溫度云圖如圖4所示。

從圖4中可以看出，在內行程中，唇口處的溫度分布較為分散，最大溫度值也相對較低；而在外行程中，唇口處的溫度分布比較集中，最大溫度值也較大。這說明，在外行程中油封唇口更容易出現灼傷和老化現象，造成油封損壞，甚至使油封唇口產生泄漏。

圖4 主唇處的溫度云圖Fig 4 The temperature nephogram of main lip (a)instroke; (b)outstroke

圖5顯示了在往復速度為0.6 m/s時，內外行程中唇口最大溫度與過盈量的關系。可見，在內外行程中，隨著過盈量的增大，唇口處的溫度升高；并且，相較于內行程，外行程中唇口處的溫度隨過盈量的增加變化幅度更加明顯，溫度值也更高，這也說明往復式骨架油封唇口在外行程中更易受到損傷。

圖5 最大溫度隨過盈量的變化Fig 5 The maximum temperature under different interference (a)instroke;(b)outstroke

同時，根據文中選用的丁腈橡膠材料適用溫度范圍，進而可以得出在往復速度為0.6 m/s的條件下，不同摩擦因數f時過盈量的合理取值范圍。由圖5可知，在內行程中，當摩擦因數小于等于0.05時，與所選取的不同過盈量相對應的溫度值均滿足往復式骨架油封的適用溫度范圍；當摩擦因數大于0.05時，要想減少油封唇口因溫度過高造成損壞的概率，過盈量的取值應盡量小一些；而當摩擦因數為0.2時，與所選取的不同過盈量相對應的溫度值均大于往復式骨架油封的適用溫度范圍。在外行程中，由于隨著過盈量的增加，唇口處的最大溫度具有更高的值，因此當摩擦因數大于等于0.15時，無論過盈量如何取值，唇口處的溫度值均超過所選橡膠材料的許用溫度范圍。綜合考慮，為了保證往復式骨架油封具有良好的密封性能，過盈量的適宜取值為0.1～0.15 mm。

2.2 流體壓力

文中流體壓力的取值為0.8～1.3 MPa。

圖6給出了在過盈量為0.2 mm，往復速度為0.5 m/s，摩擦因數為 0.1、0.15的條件下，內外行程中唇口處的最大溫度隨流體壓力的變化。可以看到，隨著流體壓力的增加，內外行程中唇口處的最大溫度增加；但在外行程中，唇口處的最大溫度隨流體壓力的增加變化幅度更大，最大溫度值也更高，這說明流體壓力越大，越容易使外行程中的往復式骨架油封唇口受到損傷，進而造成唇口泄漏，影響油封使用壽命。

圖6 最大溫度隨流體壓力的變化Fig 6 The maximum temperature under different sealing pressure (a)instroke;(b)outstroke

依據所選橡膠材料的適用溫度范圍，可得出在過盈量為0.1 mm，往復速度為0.5 m/s條件下，在內行程中，流體壓力不論如何取值，唇口處的最大溫度均滿足所選橡膠材料的許用溫度范圍；而在外行程中，由于唇口處的最大溫度值較高，為避免高溫灼傷油封唇口，應選用較小的流體壓力。綜合內外行程可得，最適流體壓力為0.9～1.1 MPa。

2.3 往復速度

往復速度的大小影響唇口的生熱量，進而影響油封唇口的溫度，因此，往復速度對往復式骨架油封的密封性能有重要影響，文中往復速度的取值為0.3～1 m/s。

圖7示出了在過盈量為0.2 mm，流體壓力為1 MPa，不同摩擦因數f條件下，內外行程中唇口處的最大溫度隨往復速度的變化。可以看出，隨著往復速度的增加，內外行程中唇口處的最大溫度均增加，這表明增加往復速度，會增加唇口處的溫度，進而損傷油封唇口并影響往復式骨架油封的密封性能。

從圖7中可以知道，內外行程中唇口處的最大溫度近似呈正態分布，唇口處的最大溫度主要集中分布在速度為0.6 m/s或0.7 m/s的附近。因為在分析的過程中考慮到時間因素的影響，所以活塞桿運動時間越長，生熱量越多，唇口溫度越高；活塞桿運動時間越短，生熱量越少，唇口溫度越低。在分析的過程中由于限制了活塞桿的行程，因此，活塞桿的往復速度越大，運行時間就越短；活塞桿的往復速度越小，運行時間就越長。在一次往復行程內，必然會出現一個中間值，這個時候往復速度不是最小，運行時間也不是最長，但兩者共同作用，就會使這一條件下往復式骨架油封唇口處的溫度出現驟升。正如圖7中所示，這表明文中分析的結果趨于實際化。

圖7 最大溫度隨往復速度的變化Fig 7 The maximum temperature under different the velocity (a)instroke;(b)outstroke

同時，觀察圖7還可以看出，在外行程中，隨著往復速度的增大，會使往復式骨架油封唇口處的溫度具有更大的增幅和更高的溫度，這表明，相較于內行程而言，在外行程中，往復速度過快更容易造成唇口損傷，進而影響油封的使用壽命和密封性能，所以在使用過程中應限制往復式骨架油封在外行程時的往復速度，盡量采用較小的往復速度，從而避免損壞油封唇口。

2.4 摩擦因數

為研究摩擦因數對唇口處溫度的影響，文中選取6種摩擦因數為0.001、0.05、0.1、0.15、0.2和0.25，得到了往復式骨架油封唇口處的溫度隨摩擦因數的變化曲線，如圖8所示。

圖8中往復速度為0.4 m/s，流體壓力為1 MPa的條件下，過盈量為0.2～0.4 mm。可見，隨著摩擦因數的增加，內外行程中唇口處的最大溫度值均上升。與內行程相比，在外行程中，往復式骨架油封唇口處的最大溫度具有更大的增幅，溫度值也更高，這表明摩擦因數越大，往復式骨架油封唇口處的最大溫度越高，進而影響往復式骨架油封的使用壽命。

圖8 最大溫度隨摩擦因數的變化Fig 8 The maximum temperature under different friction coefficient (a)instroke;(b)outstroke

參照文中所選丁腈橡膠材料的適用溫度范圍，可以得出，在內行程中，與所選取的不同摩擦因數相對應的唇口處的溫度值均滿足所選橡膠材料的適用溫度范圍，而在外行程中，當過盈量為0.4 mm時，摩擦因數的取值應小于0.15，以確保唇口處的最大溫度值不超過橡膠材料的適用溫度范圍。綜合來看，在這種參數設置下，最佳的摩擦因數取值應為0.05～0.1。

3 結論

(1)過盈量、流體壓力、往復速度和摩擦因數這4種因素的增大，會使往復式骨架油封唇口的最大溫度值增加，均會影響往復式骨架油封的密封性能。同時，相對于內行程，這4種因素對外行程中往復式骨架油封唇口處的最大溫度影響更大，使其具有更大的增幅以及更高的溫度值，這表明，由于溫度過高造成往復式骨架油封唇口損傷以致出現泄漏的現象更易發生在外行程，在實際使用時應多加注意。

(2)依據所選橡膠材料的適用溫度范圍，再依照這4種因素對唇口最大溫度的影響，可以得出過盈量、流體壓力、往復速度和摩擦因數的合理取值區間。

(3)對于往復速度這一影響因素，因為在分析的過程中考慮了運行時間的影響，所以當往復速度達到某一值時，往復式骨架油封唇口處的溫度會出現驟升現象。