往复式骨架油封温度场的动态分析*

(青岛科技大学机电工程学院 山东青岛 266061)

往复式骨架油封用于往复运动件封油，如汽车减震器油封，在使用过程中会承受很大的压力(0.8～1.3 MPa，瞬时压力可达到2 MPa)，是一种使用很广泛的密封件。往复式骨架油封的工作过程分为内行程和外行程，在外行程中，润滑油被活塞杆从密封腔体拖出并附着在活塞杆上；在内行程中，附着在活塞杆上的润滑油被拖回密封腔体。在一次往复行程内，内行程的流通量必须大于或等于外行程的流通量，以便将润滑油泵送回密封腔体从而实现零泄漏[1-2]。

目前研究者主要采用有限元模拟的方法研究往复式骨架油封的性能，研究泵汲率和生热量随过盈量和往复速度的变化规律[3]，以及针对油封的损坏与泄漏问题，分析过盈量、往复速度、摩擦因数和流体压力对油封唇口处等效应力与接触压力的影响规律[4]。张佳佳等[5]利用FLUENT软件分析了轴速、前后唇角、接触宽度以及抱轴力等参数对油封摩擦面上温度最大值的影响。

油封失效的主要原因是由唇口温度过高引起的橡胶老化[6]，而以上文献主要集中研究了油封的结构参数和外界工况对油封性能的影响，但都没有给出合理的取值范围。因此，本文作者采用ABAQUS软件模拟往复式骨架油封唇口处的温度场，分析过盈量、流体压力、往复速度和摩擦因数对油封唇口处温度的作用规律，再依据所选橡胶材料的适用温度范围，得出过盈量、流体压力、往复速度和摩擦因数的合理取值区间，从而提高往复式骨架油封的密封性能。

1 往复式骨架油封的有限元模型

1.1 往复式骨架油封的几何模型

文中所选往复式骨架油封结构过于复杂，为避免因素过多影响分析结果，在几何建模时进行了简化，由于往复式骨架油封的结构和受力具有轴对称性，因此往复式骨架油封可以简化成如图1所示的二维轴对称模型。

文中分析的往复式骨架油封由金属骨架、弹簧圈(包括主簧和副簧)以及橡胶体3部分构成。

图1 往复式骨架油封的结构Fig 1 Schematic of reciprocating skeleton oil seal

金属骨架主要起加强作用，它能使油封唇口保持形状及张力不变；弹簧圈的主要作用是提供适当的径向抱紧力，以利于密封介质的密封和防尘，而文中仅考虑主簧作用[7]；密封唇是弹性橡胶体，主要作用是保持唇部与轴表面稳定接触。根据密封效果，密封唇可分为主唇、二道唇、防尘唇和封气唇。其中密封作用依靠主唇来实现，也是文中分析对象，其他唇起辅助作用。

1.2 往复式骨架油封主唇处力学模型

往复式骨架油封主唇处受力示意图如图2所示。其中F1为主簧对主唇处的径向力；p为密封流体对主唇处的压力；F2为安装过盈量对主唇处的预紧力。在此基础上，建立往复式骨架油封的有限元模型，进而研究往复式骨架油封主唇处的温度场分布。

图2 主唇处受力示意图Fig 2 Force diagram of main lip

1.3 往复式骨架有限元模型

1.3.1 材料模型

为了方便有限元模型求解，作出以下两点假设：

(1)密封唇必须具有确定的弹性模量和泊松比；

(2)将活塞杆、主簧、副簧和骨架设为刚体[8]；

(3)密封唇表面光滑。

由于橡胶材料属于不可压缩的超弹性材料，而且本身具有非线性，因此，唇口在与活塞杆的过盈配合中会产生较大变形。文中采用Mooney-Rivlin模型描述橡胶材料的应变能函数[9]，其应变能密度函数为

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

(1)

式中:W为应变能密度函数；C10和C01为Mooney-Rivlin材料系数,均为正定常数；I1和I2为Green应变张量的2个主不变量[10]。

文中设置往复式骨架油封的骨架、弹簧圈(包括主簧和副簧)以及活塞杆为刚体，其参数为：弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，密度为7.8×10-6kg/mm3，热导率为45.4 W/(m·K)，比热容为460 J/(kg·K)。唇口橡胶材料为丁腈橡胶，参数为：硬度70～90，适用温度-60～180 ℃，密度1.2×10-6kg/mm3，热导率0.25 W/(m·K)，比热容1 700 J/(kg·K)。材料系数C10和C01可由单轴拉伸试验或根据材料硬度计算得到[11]。已知丁腈橡胶材料硬度HA，将其代入E=(15.75+2.15HA)/(100-HA)和C10=E/6中，可得C10的值，再将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 唇口处有限元模型

在ABAQUS软件中进行往复式骨架油封的有限元分析时，建立如图3所示的二维轴对称模型。

图3 唇口处有限元模型Fig 3 The finite element model of the lip (a)instroke; (b)outstroke

1.3.3 约束与载荷的加载

由于活塞杆的外径略大于密封唇的内径，因此，两者之间产生了过盈配合。文中采用如图3所示的方式模拟两者之间的过盈量，图3(a)模拟内行程，图3(b)模拟外行程。约束往复式骨架油封外沿的所有自由度，模拟将其固定在缸筒内所受约束；在主簧处施加等效集中力模拟往复式骨架油封主唇处所受预紧力F=10 N[14]；用速度约束来模拟活塞杆的往复运动；其中，唇口处的最大温度受往复速度和运行时间的影响，故文中限制活塞杆的行程，使运行时间和往复速度这两种因素的取值成对出现，即两者的乘积总是相同的；对往复式骨架油封唇口处施加载荷模拟油压对主唇处的作用力；对活塞杆与唇口的接触处设置不同的摩擦因数来模拟不同的摩擦状态。此外，还需对整体模型加载初始温度场模拟室温，其值为20 ℃；将橡胶主体的边界设置成绝热边界。

2 仿真结果及分析

2.1 过盈量

往复式骨架油封安装时需要过盈配合，这主要是为了使油封与活塞杆之间形成一个初始的预紧力。为了研究过盈量对油封主唇处最大温度的影响，取过盈量为0.1～0.4 mm。

在过盈量为0.3 mm,往复速度为0.6 m/s,其他因素值一致的条件下，内外行程中往复式骨架油封唇口处的温度云图如图4所示。

从图4中可以看出，在内行程中，唇口处的温度分布较为分散，最大温度值也相对较低；而在外行程中，唇口处的温度分布比较集中，最大温度值也较大。这说明，在外行程中油封唇口更容易出现灼伤和老化现象，造成油封损坏，甚至使油封唇口产生泄漏。

图4 主唇处的温度云图Fig 4 The temperature nephogram of main lip (a)instroke; (b)outstroke

图5显示了在往复速度为0.6 m/s时，内外行程中唇口最大温度与过盈量的关系。可见，在内外行程中，随着过盈量的增大，唇口处的温度升高；并且，相较于内行程，外行程中唇口处的温度随过盈量的增加变化幅度更加明显，温度值也更高，这也说明往复式骨架油封唇口在外行程中更易受到损伤。

图5 最大温度随过盈量的变化Fig 5 The maximum temperature under different interference (a)instroke;(b)outstroke

同时，根据文中选用的丁腈橡胶材料适用温度范围，进而可以得出在往复速度为0.6 m/s的条件下，不同摩擦因数f时过盈量的合理取值范围。由图5可知，在内行程中，当摩擦因数小于等于0.05时，与所选取的不同过盈量相对应的温度值均满足往复式骨架油封的适用温度范围；当摩擦因数大于0.05时，要想减少油封唇口因温度过高造成损坏的概率，过盈量的取值应尽量小一些；而当摩擦因数为0.2时，与所选取的不同过盈量相对应的温度值均大于往复式骨架油封的适用温度范围。在外行程中，由于随着过盈量的增加，唇口处的最大温度具有更高的值，因此当摩擦因数大于等于0.15时，无论过盈量如何取值，唇口处的温度值均超过所选橡胶材料的许用温度范围。综合考虑，为了保证往复式骨架油封具有良好的密封性能，过盈量的适宜取值为0.1～0.15 mm。

2.2 流体压力

文中流体压力的取值为0.8～1.3 MPa。

图6给出了在过盈量为0.2 mm，往复速度为0.5 m/s，摩擦因数为 0.1、0.15的条件下，内外行程中唇口处的最大温度随流体压力的变化。可以看到，随着流体压力的增加，内外行程中唇口处的最大温度增加；但在外行程中，唇口处的最大温度随流体压力的增加变化幅度更大，最大温度值也更高，这说明流体压力越大，越容易使外行程中的往复式骨架油封唇口受到损伤，进而造成唇口泄漏，影响油封使用寿命。

图6 最大温度随流体压力的变化Fig 6 The maximum temperature under different sealing pressure (a)instroke;(b)outstroke

依据所选橡胶材料的适用温度范围，可得出在过盈量为0.1 mm，往复速度为0.5 m/s条件下，在内行程中，流体压力不论如何取值，唇口处的最大温度均满足所选橡胶材料的许用温度范围；而在外行程中，由于唇口处的最大温度值较高，为避免高温灼伤油封唇口，应选用较小的流体压力。综合内外行程可得，最适流体压力为0.9～1.1 MPa。

2.3 往复速度

往复速度的大小影响唇口的生热量，进而影响油封唇口的温度，因此，往复速度对往复式骨架油封的密封性能有重要影响，文中往复速度的取值为0.3～1 m/s。

图7示出了在过盈量为0.2 mm，流体压力为1 MPa，不同摩擦因数f条件下，内外行程中唇口处的最大温度随往复速度的变化。可以看出，随着往复速度的增加，内外行程中唇口处的最大温度均增加，这表明增加往复速度，会增加唇口处的温度，进而损伤油封唇口并影响往复式骨架油封的密封性能。

从图7中可以知道，内外行程中唇口处的最大温度近似呈正态分布，唇口处的最大温度主要集中分布在速度为0.6 m/s或0.7 m/s的附近。因为在分析的过程中考虑到时间因素的影响，所以活塞杆运动时间越长，生热量越多，唇口温度越高；活塞杆运动时间越短，生热量越少，唇口温度越低。在分析的过程中由于限制了活塞杆的行程，因此，活塞杆的往复速度越大，运行时间就越短；活塞杆的往复速度越小，运行时间就越长。在一次往复行程内，必然会出现一个中间值，这个时候往复速度不是最小，运行时间也不是最长，但两者共同作用，就会使这一条件下往复式骨架油封唇口处的温度出现骤升。正如图7中所示，这表明文中分析的结果趋于实际化。

图7 最大温度随往复速度的变化Fig 7 The maximum temperature under different the velocity (a)instroke;(b)outstroke

同时，观察图7还可以看出，在外行程中，随着往复速度的增大，会使往复式骨架油封唇口处的温度具有更大的增幅和更高的温度，这表明，相较于内行程而言，在外行程中，往复速度过快更容易造成唇口损伤，进而影响油封的使用寿命和密封性能，所以在使用过程中应限制往复式骨架油封在外行程时的往复速度，尽量采用较小的往复速度，从而避免损坏油封唇口。

2.4 摩擦因数

为研究摩擦因数对唇口处温度的影响，文中选取6种摩擦因数为0.001、0.05、0.1、0.15、0.2和0.25，得到了往复式骨架油封唇口处的温度随摩擦因数的变化曲线，如图8所示。

图8中往复速度为0.4 m/s，流体压力为1 MPa的条件下，过盈量为0.2～0.4 mm。可见，随着摩擦因数的增加，内外行程中唇口处的最大温度值均上升。与内行程相比，在外行程中，往复式骨架油封唇口处的最大温度具有更大的增幅，温度值也更高，这表明摩擦因数越大，往复式骨架油封唇口处的最大温度越高，进而影响往复式骨架油封的使用寿命。

图8 最大温度随摩擦因数的变化Fig 8 The maximum temperature under different friction coefficient (a)instroke;(b)outstroke

参照文中所选丁腈橡胶材料的适用温度范围，可以得出，在内行程中，与所选取的不同摩擦因数相对应的唇口处的温度值均满足所选橡胶材料的适用温度范围，而在外行程中，当过盈量为0.4 mm时，摩擦因数的取值应小于0.15，以确保唇口处的最大温度值不超过橡胶材料的适用温度范围。综合来看，在这种参数设置下，最佳的摩擦因数取值应为0.05～0.1。

3 结论

(1)过盈量、流体压力、往复速度和摩擦因数这4种因素的增大，会使往复式骨架油封唇口的最大温度值增加，均会影响往复式骨架油封的密封性能。同时，相对于内行程，这4种因素对外行程中往复式骨架油封唇口处的最大温度影响更大，使其具有更大的增幅以及更高的温度值，这表明，由于温度过高造成往复式骨架油封唇口损伤以致出现泄漏的现象更易发生在外行程，在实际使用时应多加注意。

(2)依据所选橡胶材料的适用温度范围，再依照这4种因素对唇口最大温度的影响，可以得出过盈量、流体压力、往复速度和摩擦因数的合理取值区间。

(3)对于往复速度这一影响因素，因为在分析的过程中考虑了运行时间的影响，所以当往复速度达到某一值时，往复式骨架油封唇口处的温度会出现骤升现象。