油封密封性能的實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬.pdf

1、油封是一種重要的密封件，然而很多油封在使用過(guò)程中因漏油和過(guò)熱而發(fā)生密封失效。如果能在油封設(shè)計(jì)時(shí)就預(yù)測(cè)出油封的泵汲率和溫度場(chǎng)，將有助于提高油封密封性能和設(shè)計(jì)效率。本文采用實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)油封的泵汲效應(yīng)和摩擦生熱性能進(jìn)行研究。首先在油封試驗(yàn)機(jī)上對(duì)油封進(jìn)行密封性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)包括兩部分：一是采用熱電偶對(duì)四種不同結(jié)構(gòu)形式的油封在有彈簧和無(wú)彈簧時(shí)的唇部溫度進(jìn)行測(cè)量，用以反映出油封摩擦生熱能力，并通過(guò)反裝油封測(cè)得泵汲率；二是采用紅外成像儀

2、測(cè)量1＃油封在不同油溫和軸轉(zhuǎn)速下的軸表面溫度，并測(cè)得泵汲率。然后針對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的四種油封，建立二維軸對(duì)稱(chēng)有限元模型用以分析其柯西接觸應(yīng)力和接觸寬度，計(jì)算得到其單位周長(zhǎng)徑向載荷。并重點(diǎn)對(duì)1＃油封進(jìn)行分析，研究過(guò)盈量和彈簧參數(shù)對(duì)油封柯西接觸應(yīng)力的影響。此外，建立1＃油封的二維軸對(duì)稱(chēng)CFD數(shù)值模型，來(lái)模擬油封在不同軸轉(zhuǎn)速和油溫下的溫度場(chǎng)分布，最后將該溫度場(chǎng)分布與紅外測(cè)溫實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：
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3、）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明油封的泵汲率與油封結(jié)構(gòu)、彈簧彈力大小、軸轉(zhuǎn)速以及潤(rùn)滑油溫度都有關(guān)。油封結(jié)構(gòu)不同，泵汲率不同；除4＃油封外，其它油封的泵汲率都隨軸轉(zhuǎn)速的增加而增加；當(dāng)軸轉(zhuǎn)速不變時(shí)，1＃油封的泵汲率隨潤(rùn)滑油溫度的增加而減小，這也表明潤(rùn)滑油的黏溫特性對(duì)油封的泵汲效應(yīng)有重要影響。油封的摩擦生熱性能不僅與油封結(jié)構(gòu)相關(guān)，還受彈簧影響，彈簧的彈力越大，生熱量越大。
　　2）有限元模擬結(jié)果表明不同結(jié)構(gòu)的油封，其靜態(tài)柯西接觸應(yīng)力有所不同，但分布情況大

4、致相似，各結(jié)構(gòu)油封的最大接觸應(yīng)力都發(fā)生在油封唇尖且靠近油側(cè)；1＃油封的最大接觸應(yīng)力、接觸寬度及徑向接觸載荷隨過(guò)盈量和彈簧預(yù)緊力的增加均逐漸增加，而受彈簧勁度系數(shù)的影響很小。
　　3）為了更真實(shí)的反映油封的摩擦生熱機(jī)理和散熱過(guò)程，本文在CFD模擬時(shí)考慮了油封橡膠的導(dǎo)熱和散熱作用。結(jié)果顯示接觸寬度內(nèi)，油封唇口表面的溫度高于軸表面溫度，油封唇體內(nèi)部的溫度梯度大于軸內(nèi)部的溫度梯度，大約有98％的熱量通過(guò)軸導(dǎo)出。
　　4）油膜厚度、摩

5、擦生熱率、摩擦系數(shù)和油封唇口與軸表面最大溫差都隨軸轉(zhuǎn)速增加而增加，隨油溫的增加而減??；而唇口最高溫度隨軸轉(zhuǎn)速和油溫的增加而增加。
　　5）由公式計(jì)算得到的泵汲率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定差距，這主要是理論計(jì)算過(guò)程中沒(méi)有考慮油封唇口與軸表面的微粗糙體對(duì)流體流動(dòng)的影響，然而兩者所得到的泵汲率隨油溫和軸轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)相同。
　　6）紅外測(cè)溫實(shí)驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬結(jié)果取得了較好的一致性，這克服了油封唇口溫度不能直接測(cè)量的難題，在油封設(shè)計(jì)過(guò)程中可