搜索油封唇口壓力大小及分布的有限元分析
2013-06-18 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
油封是一種高技術(shù)含量的精密橡膠零件,它是通過(guò)柔性橡膠(或者皮革、塑料等)密封件與軸的接觸來(lái)防止?jié)櫥突蚱渌橘|(zhì)的泄漏。不少專家學(xué)者對(duì)油封的密封機(jī)理進(jìn)行研究,提出了表面張力理論,吸附理論,還有的提出了邊界潤(rùn)滑理論。而不管是哪種理論,其成立的基礎(chǔ)都是在軸與油封唇口之間存在著油膜。油膜的存在狀態(tài)直接影響著密封的效果和油封的使用壽命。油封在使用過(guò)程中可能出現(xiàn)以下?tīng)顩r,即:干摩擦、邊界潤(rùn)滑、境界潤(rùn)滑、流體潤(rùn)滑、大量泄漏。其油膜狀況是:沒(méi)有油膜(千摩擦狀態(tài))、境界潤(rùn)滑膜(邊界潤(rùn)滑狀態(tài))、流體潤(rùn)滑膜(境界潤(rùn)滑狀態(tài))、油膜破壞(流體潤(rùn)滑狀態(tài))、油膜消失(大量泄漏)。油膜厚度和位置是關(guān)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壽命的關(guān)鍵.油封處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)油封唇口對(duì)軸有良好的接觸,而且表面接觸應(yīng)力集中分布在寬度為0.lmm~0.25mm的接觸帶上。圖1(a)是邊界潤(rùn)滑狀態(tài),接觸應(yīng)力Pr集中分布,油膜薄且呈三角形分布在空氣側(cè),因此具有良好的吸附能力和密封效應(yīng)。圖1(b)是境界潤(rùn)滑狀態(tài),接觸應(yīng)力分布都比較分散。油膜厚且分布在唇下的空氣側(cè)和油例(屬于流體潤(rùn)滑膜),因此吸附能力很差,易出現(xiàn)泄漏。圖1(c)是流體潤(rùn)滑狀態(tài),接觸應(yīng)力P:嚴(yán)重分散。油膜厚且分布不均,因此喪失吸附能力,出現(xiàn)嚴(yán)重泄漏。
從前人對(duì)油封機(jī)理的研究可以看出,油封密封性能的好壞,主要取決于油封唇口與軸徑之間油膜的厚度及接觸應(yīng)力的分布狀態(tài)。而油膜的厚度與接觸壓力的大小有直接的關(guān)系,所以可以說(shuō)油封密封性能的好壞以及壽命的長(zhǎng)短在很大程度上取決于油封唇口壓力的大小及分布狀態(tài)。本文利用大型有限元分析軟件Ansys建立了油封的有限元模型并進(jìn)行了模擬分析,從而考察了油封的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)以及油封用彈簧彈力對(duì)油封唇口壓力大小及分布的影響,為對(duì)油封進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和疲勞分析奠定了基礎(chǔ)。
1 計(jì)算模型
由于油封的機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜,為了建模和分析的方便,在建模時(shí)簡(jiǎn)化了其形狀,省去了一些對(duì)結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生大的影響的一些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。而且考慮到油封在裝配時(shí)的完全軸對(duì)稱性,我們采用二維軸對(duì)稱模型來(lái)模擬實(shí)際中的三維問(wèn)題,這種簡(jiǎn)化不會(huì)影響分析結(jié)果,但是將大大減少建模及分析的時(shí)間。所建的油封的二維軸對(duì)稱模型如圖2所示.型號(hào)50X70 X8 (mm)。材料為丁睛橡膠(NBR)。途中β為油封彈簧中心與油封唇口間的垂直距離,也被稱為理論接觸寬度。a和β分別為油封唇口油側(cè)及空氣側(cè)與軸的夾角,又稱為前唇角和后唇角。
2 有限元模型
本文所進(jìn)行的靜態(tài)分析中,油封材料(橡膠)的超彈特性以及分析中存在的大變形和接觸問(wèn)題,使得分析包含了材料非線性,接觸非線性以及大變形(結(jié)構(gòu))非線性3種情況。這些非線性往往使分析難以收斂,所以為了分析的方便,在不太影響分析結(jié)果的情況下作者提出了一些假設(shè)。
(1)油封材料具有確定的彈性模量E和泊松比μ;
(2)由鋼制造的軸及油封固定外套的剛度是橡膠的幾萬(wàn)倍,可以不考慮其變形,即視為油封變形時(shí)的約束邊界。
本文用簡(jiǎn)化后的Mooney——Revlin模型描述橡膠材料的應(yīng)變能函數(shù):
W=C1(I1-3)+C2(I2-3)
應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為:
本文使用的分別為C1和C21.87和0.47。
分析模型中,橡膠單元采用HYPER74,彈簧和骨架采用線性實(shí)體單元PLANE82,模型中還包含ANSYS建立接觸對(duì)時(shí)自動(dòng)生成的接觸單元TARGE169和CONTA172。求解只設(shè)了一個(gè)載荷步—由軸施加的作為過(guò)盈量的X方向的位移。
3 計(jì)算結(jié)果分析
本文在靜態(tài)下對(duì)影響油封唇口接觸壓力大小及分布的因素進(jìn)行分析。分析結(jié)果及分析如下。
(1)唇口接觸寬度R值的大小(如圖2所示)對(duì)油封唇口壓力大小及分布的影響.
油封唇口接觸寬度R是指油封唇口與彈簧槽中心的軸向距離,它的存在使得接觸壓力主要分布在油封的空氣側(cè),從參考文獻(xiàn)中可以知道R值的大小直接影響著唇口壓力的分布,并對(duì)油封唇口接觸壓力的大小也有一定的影響。本文通過(guò)其它參數(shù)不變,只改變R值的方法分析了R值對(duì)油封唇口接觸壓力分布及大小的影響,圖4和圖5分別給出了唇口最大接觸壓力和前后唇角接觸寬度隨R值變化的情況。圖6所示的是R=0.6mm時(shí)的唇口接觸壓力分布圖。
從分析結(jié)果不難看出隨著R值的增大唇口處最大接觸壓力會(huì)因?yàn)閺椈勺饔玫臏p弱而有一定的減小,但是影響不是很大。前唇角接觸寬度隨R值的增加有比較明顯的減小,這也證明了R的存在能夠使接觸主要存在于空氣側(cè)觀點(diǎn)。但是與前人理論觀點(diǎn)不同的是,在R值增大的過(guò)程中后唇角接觸寬度(即空氣側(cè)接觸寬度)也有一定的減小,本文認(rèn)為后唇角接觸寬度減小的原因是彈簧作用的減弱。此分析方法及結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)或者選用油封唇口接觸寬度R有一定的指導(dǎo)意義。
(2)過(guò)盈量對(duì)油封唇口壓力大小的影響。
過(guò)盈量是指在自由狀態(tài)(未裝彈簧時(shí))唇口直徑與軸徑之差。它可產(chǎn)生唇口無(wú)彈簧時(shí)的徑向力,并補(bǔ)償軸的偏心。過(guò)盈量過(guò)小,在安裝偏心和軸跳動(dòng)量大時(shí),造成泄漏,降低密封性;過(guò)盈量太大,使唇口緊貼在軸上,唇軸間的間隙過(guò)小,唇和軸之間呈“干接觸”,在高速旋轉(zhuǎn)下,唇和軸表面間便會(huì)迅速產(chǎn)生高溫,加速唇口老化龜裂,甚至燒損密封唇,使密封無(wú)效。因此,選擇適當(dāng)?shù)倪^(guò)盈量非常重要。本文通過(guò)單獨(dú)改變過(guò)盈量的方法分析了過(guò)盈量對(duì)接觸壓力大小的影響。由于實(shí)際當(dāng)中多數(shù)使用彈簧,所以分析在有彈簧的情況下進(jìn)行。本文對(duì)過(guò)盈量從0.2mm到0.8mm進(jìn)行了漸變分析。圖7和圖8分別描繪了唇口最大接觸壓力以及唇口接觸寬度隨過(guò)盈量的變化情況。圖9和圖10所示的是過(guò)盈量為0.2mm和0.8mm時(shí)的唇口接觸壓力分布情況。
分析的結(jié)果證明了前人的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論,分析的方法可以用來(lái)根據(jù)壓力需要確定過(guò)盈量選擇。
(3)彈簧勁度對(duì)油封唇口壓力的影響的模擬
油封彈簧的作用有提高接觸壓力和提高油封唇口對(duì)軸跟隨性的作用。本文對(duì)油封彈簧勁度對(duì)油封唇口接觸壓力大小及分布的影響進(jìn)行了模擬分析。分析在R=0. 6mm,過(guò)盈為。. 4mm的情況下進(jìn)行.分析結(jié)果如圖12和圖13所示.由圖中所示的分析結(jié)果可以看出前角接觸寬度變化不大,而最大接觸壓力和后角接觸寬度都隨著彈簧勁度的增大而增大。這些分析與實(shí)際相符,對(duì)用戶根據(jù)壓力需要選擇彈簧勁度有一定的指導(dǎo)意義。
(4)后唇角對(duì)油封接觸壓力大小及分布的影響。
由參考文獻(xiàn)可以知道油封的前后唇角的差值對(duì)油封的泵汲效應(yīng)有很大影響。選擇合適的前后唇角大小對(duì)于油封的密封性能有很重要的影響。本文認(rèn)為油封唇口前后唇角,尤其是后唇角的大小對(duì)唇口接觸壓力的大小及分布也會(huì)有很大的影響.因此本文在靜態(tài)情況下分析了后唇角對(duì)接觸壓力分布及大小的影響。分析在R=0. 6mm,過(guò)盈量為0. 4mm,彈簧勁度為3142N/m的情況下進(jìn)行。所得結(jié)果如圖13和圖14所示。從圖中給出的結(jié)果可以看出隨著后唇角的增大,接觸寬度明顯的減小,接觸寬度的減小使得唇口最大接觸壓力隨之增大。此分析方法可以用來(lái)根據(jù)接觸壓力及接觸寬度的需要選擇后唇角的大小,對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。
除上述分析的典型參數(shù)外,軸的表面粗糙度,安裝誤差,同軸度,油封用橡膠材料參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)情況都對(duì)油封唇口的壓力大小及分布存在著影響,也就是都對(duì)油封的密封性能存在著影響。
4 結(jié)論
1)成功實(shí)現(xiàn)了利用ANSYS對(duì)有封的靜態(tài)非線性分析有限元分析;使多年的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)得到了驗(yàn)證,為油封的設(shè)計(jì)和選擇提供了理論指導(dǎo);
2)分析計(jì)算了油封唇口接觸寬度、過(guò)盈量、彈簧勁度以及油封后角大小對(duì)油封唇口接觸壓力大小及分布的影響。唇口接觸寬度對(duì)油封唇口接觸壓力的大小影響不大,但是隨著唇口接觸寬度R的增大,接觸開(kāi)始主要發(fā)生在空氣側(cè),這剛好體現(xiàn)出了R存在的意義。過(guò)盈量是彈簧沒(méi)有預(yù)緊的油封產(chǎn)生唇口壓力的唯一途徑,從分析可以看出隨著過(guò)盈量的增大,后角接觸寬度都有明顯的增加,由于接觸寬度的增加所以唇口接觸壓力的增加相對(duì)較緩。彈簧勁度的增大使得唇口接觸寬度與最大接觸壓力都緩慢增加。后唇角接觸寬度隨后唇角的增大有較明顯的減小,而最大接觸壓力隨后唇角的增大緩慢地增大。本文的這些分析及取得的結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和選擇有一定的指導(dǎo)意義,同樣為以后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)和方法。
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