機械旋轉軸類件的油封結構參數對油封性能的影響分析

周中華

機械旋轉軸類件的油封結構參數對油封性能的影響分析

周中華

（中海油田服務股份有限公司，河北 三河 065200）

油封結構設計的合理性對于油封綜合性能有著較大影響。文章利用ABAQUS軟件建立油封的有限元分析模型，采用有限元方法對油封在靜態和動態下的密封性能進行模擬，探討油封結構參數對曲軸油封的性能的影響，進而為結構設計提出理論基礎。結果表明，在所分析的油封結構參數范圍內，曲軸油封唇口兩側的接觸壓力呈不對稱分布，隨著油側唇角、過盈量和理論接觸寬度值的增大，曲軸油封的最大接觸壓力呈現減小趨勢；隨著氣側唇角、彈簧勁度系數和腰厚的增大，曲軸油封的最大接觸壓力呈現增大趨勢；隨著過盈量、彈簧勁度系數和腰厚的增大，曲軸油封的單位周長徑向力呈現增大趨勢。建議安裝過盈量為0.78 mm，油封腰厚為0.09 mm左右的油封，可緩解油封唇口磨損，彈簧的勁度系數為0.869 N/mm左右具有良好的密封性能；氣側唇角為30°左右可延長油封使用壽命。

曲軸油封結構；油封結構參數；ABAQUS軟件；機械旋轉軸類件

自18世紀70年代工業革命以來，工業化一直是世界經濟發展的主題，近些年我國工業化發展在不斷深化，各行各業機械設備種類繁多、結構復雜，機械設備運轉需要添加大量潤滑油，較多設備在使用過程中會出現漏油現象，其不僅污染環境、浪費油液，而且還會對設備的使用壽命和工作性能帶來不利影響。油封作為潤滑油的密封機械元件，目的是隔離傳動部件中需要潤滑的部件與出力部件，為防止潤滑油滲漏起到了至關重要的作用[1]。機械設備運行過程中，不可避免的會產生油封磨損，合理的油封結構參數可提升密封性能，同時延長使用壽命。

油封性能優劣的評價指標與影響條件較多，國內外許多研究從潤滑條件、油封結構、油封使用特點、場所等方面分析，提出相關理論，其更多集中在靜態研究上，動態分析較少，同時油封模型受仿真模型處理、邊界條件、潤滑條件、溫度場等復雜因素影響。由于溫度等研究條件限制，本文主要探討油封結構的影響，并作出深入討論。

1 有限元模型建立

1.1 有限元基礎

有限元法是一種求解各種復雜數學問題近似解的數值計算方法，在理論研究中占據不可替代的地位，前期通過有限元法模擬計算后，調整結構參數、不斷優化，再提供給實驗部門做實際驗證，將節約大量的人力、物力。本次研究用到的有限元分析軟件為ABAQUS，該有限元軟件應用廣泛、運算能力和模擬仿真技能突出，用于航空、機械、土木、汽車等領域，擁有可模擬許多工程材料的材料模型庫。普遍的有限元法研究思路分成四部，分別是離散求解區域、單元分析、整體分析和求解方程[2]，具體到本次油封密封性能研究的計算流程如圖1所示。

圖1 油封密封性能研究流程

1.2 建立曲軸油封有限元模型

有限元分析中的模擬仿真會盡可能接近分析目標的實際工作情況，但為了便于建模仿真和分析，在對分析結果不產生影響的情況下，模型建立時需從邊界約束條件和密封材料性能上作適當假設。首先，此油封的橡膠材料可以近似為具有不可壓縮性；其次，工作過程中，機械運動會使潤滑油的油溫升高，此處不考慮油溫對唇形油封密封性能的影響，油封與軸的連接可看作全對稱；最后，旋轉軸與金屬骨架對比橡膠來說變形量極小，可作為剛體結構。

1.2.1曲軸油封幾何模型與網格處理

旋轉軸油封基本類似，選擇發動機曲軸的后油封，其規格（直徑）為80 mm×100 mm×8.5 mm，油封總成由橡膠本體、金屬骨架和壓緊彈簧三部分組成。其幾何模型，即曲軸油封結構示意如圖2所示，油封結構參數符號如表1所示。

圖2 曲軸油封結構示意圖

表1 油封結構符號

結構參數符號 油面唇角α 氣面唇角β 安裝過盈量δ 彈簧中心到唇口軸向距離r 腰厚s 彈簧勁度系數k

圖3 油封軸對稱模型網格劃分

分析結構參數對油封性能的影響，重點關注油封與旋轉軸的接觸情況，劃分網格時需將橡膠部分和支撐油封的軸進行分開處理，壓緊機構主要進行彈簧處理，其目的是補償油封接觸所需要的徑向力。接觸部分比如曲軸油封唇口需進行網格細化，確保運算結果的有效性；橡膠單元為CAX4H，即對稱雜交單元；金屬骨架材料在建模時選擇CAX4R。網格進行收斂性檢測和無關性驗證后，得到油封網格劃分結果如圖3所示。

1.2.2邊界條件的確定

接觸處主要由支撐件曲軸、橡膠件的油封和壓緊機構彈簧三部分組成，分析這三部分的材料，并確定材料系數，另外分析接觸面受力情況，確定邊界條件。通過資料查詢和計算，得到材料參數，即橡膠材料系數10為0.812 MPa、01為 0.203 MPa；支撐件骨架彈性模量為210 GPa、泊松比為0.3；曲軸按照剛體處理；彈簧將線性彈簧單元和接觸單元組合使用。接著進行第四步，整個油封系統分析過程中，油封外側區域與軸承端蓋相配合，約束條件設置為約束油封外側自由，另外，油封唇部與軸屬于過盈裝配，需要給軸施加一個徑向的0位移約束及軸向位移[3]。

2 曲軸油封有限元結果計算

旋轉軸油封之所以能夠擁有較長壽命和優良的密封性能，主要是靠軸與油封之間形成的油膜，其防止潤滑油泄漏的同時，也阻隔了外界雜質進入其中，以免增大磨損量。而潤滑油膜的形成主要取決于唇口接觸壓力和接觸寬度的分布規律。因此，建立好分析模型后，再根據油封結構參數分析其對油封唇部接觸應力分布狀態的影響，探究油封性能優劣[4-5]。

2.1 油面唇角α對油封密封性能的影響

曲軸油封結構設計的油側唇角即密封圈油側唇部與旋轉軸的夾角，其大小的合理性會影響密封性能，采用控制變量法，油側唇角的取值為35～55°，其他參數保持不變，然后進行模擬計算，分析油封唇口接觸壓力隨油面唇角的變化情況，同時分析最大接觸壓力、接觸寬度和單位周長徑向力對油面唇角的影響，最終為選擇合適的油側唇角提供理論支持和參考，測試數據結果如圖4—圖7所示。

由圖4可知，油封唇口的接觸壓力沿軸向呈非對稱分布，唇口最大接觸壓力位置靠近油側，此分布有利于油封唇口油膜的形成；由圖5可知，油封唇口的最大接觸壓力隨著油側唇角的增大而減小；由圖6可知，隨著油側唇角的增大，密封面上的接觸寬度呈逐漸增大的趨勢；由圖7可知，隨著油側唇角的增大，油封單位周長徑向力逐漸減小，結果顯示，隨著油側唇角的增大，曲軸油封的抱軸力逐漸減小，其有效減少了油封唇口與轉軸磨損，增加了油封的使用壽命。

圖4 油封唇口接觸壓力隨油面唇角α的變化

圖5 油封唇口最大接觸壓力隨油面唇角α的變化

圖6 油封唇口接觸寬度隨油面唇角α的變化

2.2 其他參數對油封密封性能的影響

用同樣的方法計算其他參數即空氣側唇角、過盈量、唇尖部位與彈簧槽中心間的軸向距離、腰厚和彈簧勁度系數對油封密封性能的影響，分析過程中其他參數保持不變，變量的變化范圍以及固定量的取值如表2[6]所示，然后再進行計算分析。

表2 參數定量與變量范圍

變量數值定量數值定量數值定量數值定量數值 β/(°)17～33 α/(°) 45R/mm0.4S/mm1.1δ/mm0.75 δ/mm0.5～1.145R/mm0.4S/mm1.1β/(°)25 r/mm0.2～0.645S/mm1.12β/(°)25δ/mm0.75 s/mm0.8～1.345S/mm1.12β/(°)25δ/mm0.75 k/(N/mm)0.469～1.40745R/mm0.4S/mm1.1δ/mm0.75

2.3 計算結果分析

2.3.1氣側唇角對曲軸油封唇口接觸壓力的影響分析

曲軸油封的唇口接觸壓力沿軸向呈非對稱分布，唇口最大接觸壓力位置靠近油側，如圖8所示。隨著氣側唇角的增大，油封唇口的最大接觸壓力逐漸增大；曲軸油封在空氣側唇角較小時，接觸寬度較大，隨著唇角的增大，接觸寬度逐漸減小，即隨著空氣側唇角的增大而逐漸減小。過盈量小容易引發潤滑油泄漏，過盈量大容易導致過度磨損，因此，建議安裝過盈量為0.78 mm左右的油封。

2.3.2理論接觸寬度值對油封密封性能的影響分析

油封唇口的接觸壓力沿軸向呈非對稱分布，唇口最大接觸壓力位置靠近油側，整體變化范圍不大，但值會增大，隨時彈簧中心距唇尖的距離增大，彈簧對唇口的約束作用會逐步減弱。

2.3.3彈簧勁度系數對油封密封性能的影響分析

在不同彈簧勁度系數作用下，油封接觸壓力呈現不規則分布，壓力值的變化規律不強，從圖8可知，接觸壓力峰值出現在油側，且沿著油側分析，最大接觸壓力和單位周長徑向力都隨著彈簧勁度系數的增加而增加。接觸壓力大有利于密封，但是過大會導致磨損加劇，建議選擇彈簧的勁度系數為0.869 N/mm左右，才能保證油封既具有良好的密封性能，又具有良好的使用壽命。

2.3.4腰厚對油封密封性能的影響分析

計算結果顯示，在不同腰厚時，油封唇口接觸應力分布趨勢保持一致，在油側接觸壓力分布十分接近。從長期使用的角度來講，增加油封厚度也意味著油封抱軸力的增大，使用壽命會受損，建議腰厚為0.09 mm左右。

3 結論

借助有限元分析軟件ABAQUS建立曲軸油封的二維軸對稱模型，分析油封靜態接觸特性，并分析油封唇角、過盈量等參數對曲軸油封密封性能的影響規律。在所分析的油封結構參數范圍內，曲軸油封唇口兩側的接觸壓力呈不對稱分布，最大接觸壓力靠近油側，唇口油側壓力梯度大于空氣側。隨著油側唇角、過盈量、彈簧勁度系數和腰厚的增大，曲軸油封的接觸寬度呈現增大趨勢。隨著油側唇角、氣側唇角、過盈量、值的增大，曲軸油封的單位周長徑向力呈現減小趨勢；隨著過盈量、彈簧勁度系數和腰厚的增大，曲軸油封的單位周長徑向力呈現增大趨勢。綜合考慮油封壽命和使用性能，結合變化趨勢給出結構參數參考意見包括安裝過盈量為0.78 mm、油封腰厚為0.09 mm、彈簧勁度系數為0.869 N/mm、氣側唇角為30°左右。

[1] 張付英,郭威,初宏怡.潤滑條件下油封的磨損預測[J].機械設計與研究,2021,37(1):97-101.

[2] 馬洋洋.曲軸油封密封性能分析及影響參數研究[D].重慶:重慶理工大學,2020.

[3] 王靜,馬洋洋,周中華.基于正交試驗的曲軸油封結構參數研究[J].橡膠工業,2021,68(2):91-97.

[4] 張帥,杜學芳,胡忠會,等.機體桿端軸承油封磨損特性分析[J].軸承,2022(4):15-23.

[5] 張付英,張原浩,高勇新.旋轉軸唇型密封圈的壽命預測研究[J].潤滑與密封,2022,47(2):96-101.

[6] 江華生,劉杰,王鵬,等.基于正交試驗的油封唇口結構參數研究[J].流體機械,2019,47(2):12-16.

Analysis of the Influence of the Oil Seal Structure Parameters of the Mechanical Rotating Shaft Parts on the Oil Seal Performance

ZHOU Zhonghua

( China Oilfield Services Company Limited, Sanhe 065200, China )

The rationality of oil seal structure design has a great impact on the comprehensive performance of oil seal.In this paper, ABAQUS software is used to establish the finite element analysis model of the oil seal, and the finite element method is used to simulate the sealing performance of the oil seal under static and dynamic conditions, and the influence of the structural parameters of the oil seal on the performance of the crankshaft oil seal is discussed, and then a theoretical basis is put forward for the structural design. The results show that the contact pressure on both sides of the crankshaft oil seal lip is asymmetrically distributed within the range of the analyzed oil seal structural parameters, and the maximum contact pressure of the crankshaft oil seal decreases with the increase of the oil side lip angle, interference and theoretical contact widthvalue;the maximum contact pressure of crankshaft oil seal increases with the increase of air side lip angle, spring stiffness coefficient and waist thickness;and with the increase of interference, spring stiffness coefficient and waist thickness,the radial force per unit circumference of crankshaft oil seal increases.Ecommended installation interferenceat 0.78 mm, the waist thickness of the oil seal is around 0.09 mm, which can alleviate the wear of the oil seal lip,and the stiffness coefficient of the spring is about 0.869N/mm, which has good sealing performance;air side lip anglethe service life of oil seal can be extended at about 30°.

Crankshaft oil seal structure;Oil seal structural parameters;ABAQUS software;Mech- anicalrotating shaft parts

P634.3+3

A

1671-7988(2023)10-129-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.027

周中華（1994—），男，初級工程師，研究方向為機械設計制造及其自動化，E-mail:493740746@qq.com。