转速对旋转式唇形密封接触性能参数的影响

(1.嘉兴南湖学院 机电工程学院，浙江 嘉兴 314001； 2.嘉兴学院 生物与化学工程学院，浙江 嘉兴 314001)

引言

旋转式唇形密封是指内圈与静止轴过盈装配、外圈与转动壳体安装固定，并随壳体一起旋转的唇形密封圈，其属于一种流体动密封件，具有结构简单紧凑、综合密封性能好等优点[1]。当壳体处于静止或低转速时，密封唇依靠径向力与轴表面密切接触而成为接触式密封；壳体高速旋转时，密封唇在高速旋转离心力的作用下与轴表面脱开而成为非接触式密封[2-3]。旋转式唇形密封较适用于设备停车时需要密封，以及转动时需要获得可控泄漏率或降低摩擦扭矩的应用场合，其典型的工程应用为液体火箭发动机燃料泵的一级密封和高速列车轴承的密封[4-6]。

密封圈转速是影响旋转式唇形密封性能的主要因素，脱开转速是旋转式唇形密封设计的关键性能参数。脱开转速如若过低或过高，都将影响密封圈的密封性和可靠性。目前，脱开转速的设计一般通过密封唇口径向力或泄漏率建立临界脱开判据[3-5]，依靠试验研究法或设计者经验完成，导致设计周期长、成本高，已有的研究成果与工程设计应用还存在一定的脱节。对于旋转式唇形密封圈，由于转速越高，其产生的离心力增加，进而对唇形密封的力变形及接触性能参数的影响也越大。为建立密封唇口临界脱开判据与接触性能参数的关联性，准确预测旋转式唇形密封的脱开转速，探究密封圈转速对其力变形及接触性能参数的影响规律，是预测密封脱开转速的理论基础。

为此，以旋转式唇形密封圈为研究对象，忽略温度对密封圈接触压力及热变形的影响[7]，设定密封圈唇口两侧为无压力差工况，采用ANSYS软件建立密封圈的轴对称有限元模型，计算密封圈在安装静止和工作转动状态下的应力、应变和接触性能参数，分析密封圈转速对唇口间隙、接触宽度、接触压力大小及分布等的影响规律，研究结果对于旋转式唇形密封脱开转速的工程设计具有重要的理论指导意义。

1 有限元模型

1.1 网格模型

旋转式唇形密封圈的结构由橡胶本体、金属骨架和卡紧弹簧组成，其规格以名义内径×外径×宽度来表示，本研究分析的唇形密封圈规格为φ100×φ125×12 mm。由于密封圈截面几何形状的不规则性，其几何模型利用AutoCAD软件完成，如图1a所示；考虑密封圈结构和约束载荷的轴对称性，为节省模拟计算时间，采用ANSYS建立密封圈轴对称的有限元模型，如图1b所示。有限单元选择具有8个节点的Solid plane183高阶2维单元，单元属性设置为轴对称，该单元对于复杂的几何模型具有较强的适应性，能较好地模拟橡胶材料的近乎不可压缩的弹塑性变形特性[8]。采用四边形网格进行网络划分，对密封圈的唇口部位进行网格细分处理，以提高唇口接触性能参数计算结果的精度，并进行计算结果的网格无关性检验，本研究模型共计网格数1696个，相应的节点数为8201个。

1.2 材料属性

唇形密封圈的橡胶属于超弹性材料，具有高度的非线性变化的应力应变本构关系。目前，较多文献采用2项参数的Mooney-Rivlin模型[9-13]表征橡胶的超弹特性，本研究的2项参数分别取为：C10=-2.75 MPa，C01=4.6 MPa[14]，橡胶材料密度ρ1=1.4×103kg/m3。轴与金属骨架的材料为45号钢，其材料参数取为：弹性模量E=210 GPa，泊松系数μ=0.3[9]，密度ρ2=7.8×103kg/m3。

1.3 施加载荷

为求解密封圈唇口的接触性能参数，创建轴表面与密封唇口的接触对以模拟钢与橡胶的实际接触。因为钢的刚度远大于橡胶，接触性质为接触对中的刚体-柔体接触，所以接触对模型中仅以一条直线代表轴面；由于接触方式属于面-面接触，为此设定轴表面为目标面，唇口为接触面[15-16]。模拟安装状态的压紧载荷时，对密封圈的外周、背面分别施加径向、轴向位移为0 mm的约束，卡紧弹簧圆弧槽处施加均匀分布压力为0.01 MPa的弹簧卡紧力，轴面沿半径方向施加过盈量大小为1.0 mm的位移；模拟工作转动的旋转离心力时，对密封圈施加绕轴中心旋转的角速度。有限元求解时，上述载荷可以分别按照安装静止和工作转动时的两步方式顺序加载后计算。

2 结果与讨论

2.1 密封圈的应力与应变分析

有限元模拟离心力时，分别施加密封圈的旋转角速度ω为0，200，300，400 rad·s-1，求解获得密封圈处于旋转状态的Von-Mises应力云图，如图2所示。从图中可知，最大应力区域主要集中在金属骨架靠近唇形密封的内圈部分，这是因为旋转时，密封圈腰部结构在离心力的作用下形成对金属骨架的挤压，随着ω的增加，油封腰部离心力对金属骨架的挤压作用加剧，应力向金属骨架靠近唇形密封的外圈部分扩散，其最大的Mises应力数值由密封圈静止时的0.816 MPa增加至5.036 MPa，为此，应避免在密封圈腰部结构的金属骨架端形成应力集中。对于密封圈腰部结构和唇口部位的应力，则表现出随ω的增加而降低的趋势，这是因为当ω为0 rad·s-1，即密封圈静止时，其应力主要由唇口过盈装配和卡紧弹簧的压紧力施加，当ω增加时，压紧力因离心力的抵消作用而逐渐减小。

图3为不同转速ω时唇形密封圈的Von-Mises应变云图。从图中可知，应变主要发生在密封圈的腰部结构和唇口部分，随着ω的增加，最大的Mises应变值逐渐减小，其数值由静止时的0.0667减小至0.0518，且最大应变部位向金属骨架端扩散。这是因为ω为0 rad·s-1时，应变由唇口过盈装配和卡紧弹簧的压紧力形成，随着ω的增加，虽然离心力形成的应变在增加，但压紧力的应变却因离心力的抵消作用而逐渐减小。

通过对密封圈的Von-Mises应力应变分析可知，转速对密封圈应力应变的影响主要作用在密封圈的腰部结构和唇口部位。静止时，密封圈的应力应变主要由唇口过盈装配和卡紧弹簧的压紧力形成；转动时，密封圈由于旋转离心力的作用，其唇口与轴面之间的接触压力减小，进而导致密封圈腰部和唇部的应力应变减小。

2.2 密封圈的唇口接触参数分析

1) 转速对密封圈唇口间隙的影响

唇形密封在内圈未与轴过盈装配，且未施加弹簧卡紧力的情况下旋转时，唇口仅在旋转离心力的作用下发生径向位移即唇口间隙δ，其随转速ω的变化规律如图4所示。从图中可知，随着ω的增加，唇口间隙δ呈现抛物线形状的非线性增加趋势，当ω达到400 rad·s-1时，δ值约为0.86 mm。这是因为橡胶密封圈的弹性力变形具有非线性，以及离心力随转速非线性增加的综合因素所致。通过该变化规律，可以获得相应脱开转速的旋转式唇形密封内圈与轴装配时的最小过盈量要求，同时可为密封圈脱开转速的初步设计提供相应的数值参考。

2) 转速对密封圈唇口接触性能参数的影响

密封圈唇口接触性能参数可用接触宽度L、最大接触压力pmax和径向力Fr表征。图5所示为密封圈唇口接触性能参数随转速ω的变化规律。从图中可知，当密封圈ω为0 rad·s-1，即处于静止时，由于离心力为0 MPa，唇口接触状态未受离心力作用的影响，因此，接触宽度L、最大接触压力pmax和径向力Fr均为最高值，其数值分别约为0.317 mm，1.57 MPa和0.116 N·mm-1。在研究的转速范围内，随着ω的增加，唇形密封圈所受的离心力作用增加，导致唇口与轴表面的接触间隙增加，相当于密封圈内径增大，造成唇形密封内圈与轴的过盈量下降，从而导致了唇形密封的接触宽度L、最大接触压力pmax和径向力Fr均呈现非线性减小的变化规律，所得结果与文献[3]相一致。当转速ω为400 rad·s-1时，L,pmax和Fr的数值分别约为0.065 mm，1.10 MPa和0.032 N·mm-1，相比密封圈静止时分别下降了79.5%, 29.9%和72.4%，因此，随转速增加而减小的影响程度从大到小的排序为：L>Fr>pmax。可以预测的是，如果ω继续增加，密封圈唇口离心力作用变形加剧，唇口将与轴表面不再保持密切接触状态，唇口接触性能参数值将减小至0，此时对应的密封圈转速可视为脱开转速。

3) 转速对密封圈唇口接触压力分布的影响

为研究转速对密封圈唇口接触压力p分布规律的影响，通过有限元后处理的路径操作方法，在接触压力云图(见图6)上从唇口空气侧的接触点为起始点，顺次提取获得接触宽度L内的节点压力p，可得到不同转速下唇形密封接触压力p的分布形状，如图7所示。从图中可知，当转速ω为0 rad·s-1时，接触压力p呈现显著的非对称性分布形状，最大接触压力pmax的位置靠近油侧；随着ω的增加，接触压力分布形状的非对称性特点逐渐消失，由非对称性转变为近似对称性，且接触宽度L和最大接触压力pmax一并逐渐减小，与图5的结果相一致。为保证唇形密封具有反向泵送作用[16]的密封效果，设计时必须限制密封圈转速以维持接触压力的非对称性分布形状。因此，密封圈转速的增加将降低唇形密封的密封性。

3 结论

通过建立的无压差工况旋转式唇形密封的有限元模型，求解了密封圈的应力应变云图和唇口接触性能参数，分析了转速在0～400 rad·s-1的变化范围内对密封圈计算结果的影响规律，得到以下结论：

(1) 转速是影响旋转式唇形密封圈接触性能参数的主要因素，其对密封圈Von-Mises应力应变的影响集中在密封圈的腰部结构和唇口部位。随着转速的增加，密封圈所受的离心力作用增大，唇口所受的压紧力因离心力的抵消作用而减小，因此，密封圈腰部和唇部的应力应变呈现随转速增加而减小的变化规律；

(2) 转速增加致密封圈所受离心力的作用加剧，随着转速的增加，密封圈唇口间隙呈现非线性增加的变化趋势，其数值由静止时的0 mm快速增加至0.86 mm，可为密封圈过盈量的初步设计提供数值参考；密封圈接触宽度、最大接触压力和径向力等接触性能参数呈现非线性减小的变化规律，其大小分别由静止时的0.317 mm，1.57 MPa和0.116 N·mm-1减小到0.065 mm，1.10 MPa和0.032 N·mm-1，它们随转速增加而减小的影响程度排序为：接触宽度>径向力>最大接触压力；密封圈接触压力的分布形状呈现从非对称性逐步转变为对称性的变化规律，因此，转速的增加降低了旋转式唇形密封的密封性。