安装过盈量和水压对唇形密封圈密封性能的影响研究.pdf
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1、机械制造李抒灿等安装过盈量和水压对唇形密封圈密封性能的影响研究第一作者简介:李抒灿()女辽宁鞍山人硕士研究生研究方向为润滑与密封技术.:./.安装过盈量和水压对唇形密封圈密封性能的影响研究李抒灿陈蔚芳李苗苗(南京航空航天大学 机电学院江苏 南京)摘 要:针对密封圈存在因接触压力过小和温度过高产生的失效问题利用有限元软件建立带 型板弹簧的唇形密封三维轴对称有限元模型分析水压与安装过盈量对唇形密封圈密封性能的影响 结果表明:唇口接触宽度、最大接触压力和唇口温度都随安装过盈量的增大而增大在相同的安装条件下有弹簧比无弹簧的条件下唇口接触宽度、最大接触压力和最高温度更大随着水压的增大最大接触压力增大受压
2、侧比非受压侧受水压影响更大接触压力的最大值出现在唇口尖端处关键词:唇形密封圈密封密封性能接触压力有限元中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:引言为保证机械设备的正常工作通常需要采用各种密封措施 密封件中密封圈的失效往往是引发泄漏进而导致机械设备无法正常工作的主要因素 其中密封圈的结构、过盈量和水压等都可能是造成密封件失效的原因因此研究密封圈的密封性能是非常必要的针对密封件密封性能问题 等利用有限元仿真软件模拟分析了在不同过盈量的情况下密封圈唇口接触宽度与接触压力的分布情况且通过实验验证了其准确性 李建国等分析了过盈量和部分结构参数对唇形密封圈最大接触压力及其分布的影响 江华生分析了工
3、作条件参数和表面微条纹结构参数对密封圈密封性能的影响 李宁采用仿真与试验结合的方法对唇形密封圈的密封性能及发热散热进行了研究模拟得出了唇口接触压力分布和接触宽度 等采用 仿真软件分析了唇形密封圈中弹簧的作用本文以安装 型板弹簧的齿轮箱轴端唇形密封圈为研究对象建立唇形密封结构的三维轴对称模型利用有限元分析软件研究该唇形密封圈在不同过盈量和水压下的密封性能 唇形密封圈的结构与材料分析.唇形密封的结构分析本文研究的对象为由 型板弹簧作为密封圈弹簧的特殊剖分式唇形密封圈尺寸为 其二维截面模型如图 所示16图 密封圈横截面示意图机械制造李抒灿等安装过盈量和水压对唇形密封圈密封性能的影响研究由于在实际安装
4、中通常为一对密封圈背对背安装(图)且其受力具有周向对称性因此可将唇形密封圈简化为轴对称模型目的是在不影响结果的条件下节约计算时间在考虑安装弹簧的情况时对弹簧的结构进行相应的简化以便分析能够顺利进行 用 型板弹簧简化后的结构贴在密封圈内侧如图 所示 为了避免由于弹簧厚度过小在有限元分析中造成的网格畸变可以将弹簧等效为厚度为 的薄片状实体图 密封圈截面图 型板弹簧示意图用 型板弹簧材料的弹性模量 来表示弹簧系数()()()()式中:为弹簧拉力 为弹簧系数/为弹簧的拉伸变形量 为弹簧长度 为应变 为拉伸应力/为弹簧截面积实际安装时密封圈与轴是过盈配合装配截面如图 所示 在建模时无过盈条件下轴径为 用
5、轴的直径来等效密封圈与轴过盈配合的条件将轴的直径设置为 其中 为过盈量图 密封圈装配截面示意图.材料本构模型参数的确定密封圈的主要材料橡胶属于非线性复合材料 国内外学者针对橡胶材料建立了许多本构模型本文采用两参数的 模型来描述密封圈橡胶材料的物理行为其特点是能在容易确定材料参数的基础上较好地反映受力状态 应变能函数 为()()()应力应变关系为/()上两式中:为应变能密度和 均为材料常数和分别为应力张量的第一不变量和第二不变量 为应力 为应变通过试验得到氟橡胶硬度为 基于材料硬度计算 模型参数可知(.)/()()/.().()通过计算可得氟橡胶两个本构模型参数分别为:.唇形密封圈的有限元仿真.
6、接触压力有限元分析 中三维模型建立之后用扫掠法对密封圈进行网格划分 分析的单元为 六面体单元 划分好的有限元模型如图 所示本文采用静应力分析的有限元分析类型分析唇形密封圈唇口接触压力大小及其接触宽度随安装过盈量和水压的变化规律 根据实际装配条件可知唇形密封圈外侧面被固定于密封腔内侧如图 所示 将唇形密封圈的外侧面和轴实体的自由度进行全约束 由于在本文中只考虑密封圈单侧受水压的影响因此在密封圈一侧施加不同大小的水压另一侧不做约束图 划分网格后的密封圈有限元模型图 过盈约束与载荷的施加.密封圈温度有限元分析假定密封圈与轴直接接触建立密封圈旋转轴截面图 图 为密封圈温度场计算区域接触流体分布示意图其
7、中密封圈和轴接触的宽度为压力场分析中计算得到的接触宽度!/!6图 流体分布示意图采用的分析类型为热稳态分析密封圈及轴的单元类机械制造李抒灿等安装过盈量和水压对唇形密封圈密封性能的影响研究型为 密封圈和轴的导热率分别取./和/密封圈的生热量由工作时密封圈与轴之间的摩擦产生因此将生热量加载至密封圈与旋转轴接触的位置 生热量大小为()式中:为唇口总生热量/为摩擦因数 为抱轴力 为轴转速/为轴径由于旋转轴直径远大于密封圈尺寸轴中心受到的影响可以忽略不计因此将旋转轴中心温度视为与室温相同在轴中心处添加固定温度载荷 由于橡胶材料导热率很低因此唇口处的生热对密封圈外侧的影响较小可视为与室温相同在密封圈外侧面
8、施加恒定温度载荷 安装过盈量对唇形密封圈接触压力和温度的影响分析 安装过盈量是指密封圈在无偏心和外部压力条件下旋转轴直径与密封圈内径之差 唇口过盈量过小容易引起油水泄漏唇口过盈量过大会使密封圈老化速度加快从而导致密封圈的失效在研究安装过盈量对唇形密封圈接触压力的影响时保持密封圈结构参数不变不施加外界压力载荷仅改变安装过盈量对密封圈唇口接触压力进行分析 图 为有弹簧的条件下安装过盈量为.时密封圈唇口接触压力分布 可以看出压力主要集中在唇口部分密封圈最大接触压力出现在唇尖处/0%-40-65*0/45&146#5*.$0/513&47(34:4%.94./&4.9/4:43图 安装过盈量为.条件下
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