油封唇口压力大小及分布的有限元分析

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1、油封唇口压力大小及分布的有限元分析发布时间：2007-9-128:27:26浏览次数:350字体：[大][中][小]油封是一种高技术含量的精密橡胶零件，它是通过柔性橡胶(或者皮革、塑料等)密封件与轴的接触来防止润滑油或其他介质的泄漏。不少专家学者对油封的密封机理进行研究，提出了表面张力理论，吸附理论，还有的提出了边界润滑理论。而不管是哪种理论，其成立的基础都是在轴与油封唇口之间存在着油膜。油膜的存在状态直接影响着密封的效果和油封的使用寿命。油封在使用过程中可能出现以下状况，即:干摩擦、边界润滑、境界润滑、流体润滑

2、、大量泄漏。其油膜状况是:没有油膜(千摩擦状态)、境界润滑膜(边界润滑状态)、流体润滑膜(境界润滑状态)、油膜破坏(流体润滑状态)、油膜消失(大量泄漏)。油膜厚度和位置是关系到骨架油封能否具有良好的初始密封效果和持久的使用寿命的关键.油封处于边界润滑状态时油封唇口对轴有良好的接触，而且表面接触应力集中分布在宽度为0.lmm~0.25mm的接触带上。图1(a)是边界润滑状态，接触应力Pr集中分布，油膜薄且呈三角形分布在空气侧，因此具有良好的吸附能力和密封效应。图1(b)是境界润滑状态，接触应力分布都比较分散。油膜厚

3、且分布在唇下的空气侧和油例(属于流体润滑膜)，因此吸附能力很差，易出现泄漏。图1(c)是流体润滑状态，接触应力P:严重分散。油膜厚且分布不均，因此丧失吸附能力，出现严重泄漏。从前人对油封机理的研究可以看出，油封密封性能的好坏，主要取决于油封唇口与轴径之间油膜的厚度及接触应力的分布状态。而油膜的厚度与接触压力的大小有直接的关系，所以可以说油封密封性能的好坏以及寿命的长短在很大程度上取决于油封唇口压力的大小及分布状态。本文利用大型有限元分析软件Ansys建立了油封的有限元模型并进行了模拟分析，从而考察了油封的一些结构

4、参数以及油封用弹簧弹力对油封唇口压力大小及分布的影响，为对油封进行进一步的结构优化和疲劳分析奠定了基础。1计算模型由于油封的机构比较复杂，为了建模和分析的方便，在建模时简化了其形状，省去了一些对结果不会产生大的影响的一些结构细节。而且考虑到油封在装配时的完全轴对称性，我们采用二维轴对称模型来模拟实际中的三维问题，这种简化不会影响分析结果，但是将大大减少建模及分析的时间。所建的油封的二维轴对称模型如图2所示.型号50X70X8(mm)。材料为丁睛橡胶(NBR)。途中β为油封弹簧中心与油封唇口间的垂直距离，也被称为理

5、论接触宽度。a和β分别为油封唇口油侧及空气侧与轴的夹角，又称为前唇角和后唇角。2有限元模型本文所进行的静态分析中，油封材料(橡胶)的超弹特性以及分析中存在的大变形和接触问题，使得分析包含了材料非线性，接触非线性以及大变形(结构)非线性3种情况。这些非线性往往使分析难以收敛，所以为了分析的方便，在不太影响分析结果的情况下作者提出了一些假设。(1)油封材料具有确定的弹性模量E和泊松比μ;(2)由钢制造的轴及油封固定外套的刚度是橡胶的几万倍，可以不考虑其变形，即视为油封变形时的约束边界。本文用简化后的Mooney——R

6、evlin模型描述橡胶材料的应变能函数:W=C1(I1-3)+C2(I2-3)应力应变关系为:本文使用的分别为C1和C21.87和0.47。分析模型中，橡胶单元采用HYPER74，弹簧和骨架采用线性实体单元PLANE82，模型中还包含ANSYS建立接触对时自动生成的接触单元TARGE169和CONTA172。求解只设了一个载荷步—由轴施加的作为过盈量的X方向的位移。3计算结果分析本文在静态下对影响油封唇口接触压力大小及分布的因素进行分析。分析结果及分析如下。(1)唇口接触宽度R值的大小(如图2所示)对油封唇口压力

7、大小及分布的影响.图2油封集合模型图3油封的有限元模型油封唇口接触宽度R是指油封唇口与弹簧槽中心的轴向距离，它的存在使得接触压力主要分布在油封的空气侧，从参考文献中可以知道R值的大小直接影响着唇口压力的分布，并对油封唇口接触压力的大小也有一定的影响。本文通过其它参数不变，只改变R值的方法分析了R值对油封唇口接触压力分布及大小的影响，图4和图5分别给出了唇口最大接触压力和前后唇角接触宽度随R值变化的情况。图6所示的是R=0.6mm时的唇口接触压力分布图。图4油封最大接触压力随R值的变化图5油封前后角接触宽度随R值的

8、变化从分析结果不难看出随着R值的增大唇口处最大接触压力会因为弹簧作用的减弱而有一定的减小，但是影响不是很大。前唇角接触宽度随R值的增加有比较明显的减小，这也证明了R的存在能够使接触主要存在于空气侧观点。但是与前人理论观点不同的是，在R值增大的过程中后唇角接触宽度(即空气侧接触宽度)也有一定的减小，本文认为后唇角接触宽度减小的原因是弹簧作用的减弱。此分析方法及结果对于设计或