橡塑往复密封数值模拟及仿真的研究现状.pdf
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1、Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2023.08.001橡塑往复密封数值模拟及仿真的研究现状于伟杰,蒋正伟,杨化林,孙维威(1.青岛科技大学机电工程学院,山东青岛2 6 6 0 6 1;2.烟台润蚨祥油封有限公司,山东烟台2 6 52 0 0)摘要:往复密封性能是影响机械设备高效性、可靠性和安全性的关键因素。随着往复密封设计的需要以及实际应用环境的复杂化,往复密封理论研究的重要性日益凸显。围绕往复密封的数值模拟及仿真研究现状,从力学与弹性流体润滑效应研究、瞬态效应及热效应的研究三方面进行详细阐述,
2、并讨论了现存问题。关键词:往复密封;研究现状;数值模拟;密封性能中图分类号:TB42(1.College of Electromechanical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Abstract:Reciprocating sealing performance is a key factor affecting the efficiency,reliability and safety of mechanical equipment.With theneed of reciprocating seal des
3、ign and the complexity of practical application environment,the theoretical research of reciprocating seal isbecoming increasingly important.Based on the research status of numerical simulation and Simulation of reciprocating seals,this paperexpounds in detail from three aspects:the research of mech
4、anics and elastohydrodynamics,the research of transient effect and thermal effect,and discusses the existing problems.Key words:reciprocating seal;research status;numerical simulation;sealing performance0引言橡塑往复密封的应用涵盖了各种工业领域,如工程、化工、车辆、船舶、军工兵器以及航天航空等,在确保机械设备的高效性、安全性、可靠性以及保证设备寿命周期方面发挥着关键作用,而密封失效带来的成本比
5、密封件本身要高的多,不仅会带来经济上的损失,还有可能引起严重的安全事故。198 6 年美国的挑战者号航天飞机,由于航天飞机发射前夜的环境低温引发的收稿日期:2 0 2 2-0 7-15基金项目:国家自然科学基金(52 10 140 1);山东省自然科学基金(ZR2019MEE102,ZR2020ME124)作者简介:于伟杰(1997-),男,山东青岛人,硕士研究生,主要从事密封技术和机电产品设计等。文献标志码:AResearch Status on Numerical Simulation and Simulation ofRubber and Plastic Reciprocating Se
6、alsYU Wei-jie,JIANG Zheng-wei,YANG Hua-lin,SUN Wei-wei?Qingdao 266061,China;2.Yantai RFX Oil Seal Co.,Ltd.,Yantai 265200,China)文章编号:10 0 8-0 8 13(2 0 2 3)0 8-0 0 0 1-0 70形圈密封失效,导致航天飞机在升空7 4s后发生爆炸,机上7 名宇航员全部遇难 。密封元件虽小,对整个密封系统而言却是至关重要的零部件,因此开展橡塑密封元件性能的研究不仅对提高密封件本身的性能具有指导作用,而且对提高机械设备工作效率,减少相关行业的经济损失和安全
7、事故具有重大意义。经典的液压往复密封系统如图1所示,其实现的基本功能包括在往复运动时保证润滑和零泄漏(低泄漏)。最简单的往复式密封件有矩形圈、O形圈等,其中O形圈由于在往复运动中泄漏量较高而不适合用作动密封,一般用作静态密封2 。此外,还有一些传统的设计结构以及组合密封件,部分密封件如图2 所示。往复密封件失效是引起往复密封系统失效的主要原因,为了解基本的密封机制和影响密封性能的因素,最大限度地减少泄漏和摩擦(功率损失),并最大限度1液压气动与密封/2 0 2 3年第8 期地延长密封圈的预期寿命,国内外学者很早就开始了对往复密封行为开展了系列研究,包含对密封界面上发生的摩擦学现象的数值模拟及仿
8、真分析和实验研究,其中数值模拟及仿真分析又包含对往复密封界面上发生的力学与弹性流体润滑效应研究、瞬态效应及热效应的研究等相关课题。本研究综合了几十年的往复密封研究文献,主要探讨了橡塑往复密封数值模拟及仿真分析的研究现状。活塞密封液压油一图1液压密封系统弹性O形圈PTFE密封圈PU形圈PPP丁腈橡胶卫、0形圈图2 常用的往复密封圈2 1往复密封力学与弹性流体润滑效应的研究橡塑往复密封的力学分析非常复杂,早期的研究大多是对形状简单的密封件进行近似的解析求解,且求解时使用的是线弹性理论和基本应力分析,例如Hooke、IA G i b s o n Jo h a n n e s s o n、D r a
9、g o n i、St r o z z i 等3-5 对0形密封圈在平面应变条件下静态接触压力的解析求解,Field和Nau等6 在197 5年研究的矩形密封圈静态接触压力的解析解。研究者们近十几年来开始应用商业有限元软件进行研究。文献7 16 通过仿真分析研究了0 形、V形、X形等往复密封元件的变形、Von Mises应力和接触压力等力学特性。此类研究大多是通过分析过盈量或2与压缩率、摩擦系数、往复运动速度、介质压力等参数对密封件力学特性的影响与作用规律,对往复密封元件的设计优化及使用工况条件起了一定的指导作用。实验研究证明,在一定的往复运动条件下,往复密封接触区域存在着纳米到微米级厚度的油膜
10、17-19该油膜的厚度受冲程速度、接触压力分布、轴表面微观形貌、润滑油黏度和密度(压力、温度)等条件的影响,而往复密封的泄漏量又与外冲程和内冲程之间的油膜厚度息息相关2 0 ,因此油膜厚度计算的精确与否决定杆密封着泄漏量计算的准确性。因此除了研究密封件的受力情况,还要考虑密封接触处的弹性流体润滑效应。为更好的研究密封区域活塞杆的作用机理,以期满足工程上开展试验和设计的辅助需求。研究者开始建立密封区域的数值理论模型,通过研究泄漏和摩擦等相关参数来评估和预测密封性能。由于往复密封区域流体的流动主要是一维流动,橡胶O形圈且润滑油膜相对于密封轴呈轴对称分布,因此一维雷塑料滑诺方程被广泛的用于往复密封的
11、流体力学分析,计算动密封油膜的厚度或者接触压力分布,其中一种表现形式如下2 1 ;双唇U形圈塑料密封圈-V形弹簧(ph)=6v(ph)2+12(ph)nxx式中,P一一局部接触压力h一一局部油膜厚度V一一接触配合表面的切向速度之和t一代表时间P,n润滑液的质量密度和动力黏度研究者们应用雷诺方程分析往复密封的性能通常有两种方法:第一种是顺解雷诺方程:假设油膜厚度分布后,根据雷诺方程求解接触压力或选择初始压力分布并根据弹性方程计算油膜厚度,然后使用雷诺方程计算新的压力2-2 4;第二种是逆解法:通过初始压力分布,根据雷诺方程直接求解油膜厚度,即逆流体动力学理论(IH)25。早期的研究者们在顺解雷诺
12、方程时通常是基于假定的膜厚求解接触压力。例如,White和Denny26通过假设锥形油膜剖面轮廓,并简单地计算了产生的流体动压。然而该方法将密封区域产生的油膜行为过度简化,由于密封件本身柔软灵活,即使很小的压力也可能会使实际上的油膜轮廓与假定的油膜轮廓存在偏差,因此单纯的顺解雷诺方程通常适合“硬”接触。为了解决上述问题,文献6,2 2-2 4 将流体力学与橡塑密封(1)at(2)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023元件的弹性变形力学耦合,同时或在多次迭代中连续在IH理论中,油膜厚度分布是通过假设的流体动求解雷诺方程和密封件的弹性方程。力压力分布来解决的,且
13、假设流体动力压力等于静态上述提到的数值方法并没有对密封设计的实际应接触压力,因为静态接触压力引起的密封弹性变形远用产生重大影响,因为开发的模型没有提供实际的现大于流体动力压力。基于这样的假设,将雷诺方程(1)实解决方案。可能的原因是以前的分析模型做出的两转化成1个三次代数方程求解油膜厚度2 5。该方法也个关键假设有严重的问题2 7 第一是全膜润滑的假设被广泛用于评估往复密封的性能中,如文献4448 。(假设连续的液体润滑膜在运行期间将密封与活塞杆然而该方法有着自身的数值问题和缺陷,即在计算三分开);第二个是假设密封表面是完全光滑的。为了解次多项式时会存在数值不稳定的问题49。Nikas50 后
14、决相关问题,2 0 0 6 年Maser【2 8 开发了一种考虑了混合来对此方法进行了改进,不是解析求解膜厚度的三次润滑和表面粗糙度影响的数值模型,模型耦合了流体多项式,而是导出以下一阶常微分方程:力学、变形力学和接触力学分析,且考虑了空化效应。dH数值模型的结果表明,在活塞杆的内冲程和外冲程中dx=6V-3Hdq/dx密封区的部分区域存在混合润滑(与之前Kawaharadq/dx=(dp/dx)/(mp)等2 9 做的实验结果一致),且表面粗糙度因素、空化效其中,H=ph,q由式(3)确定。然后以一种稳定且应因素和混合润滑都会影响密封的有效性,将此类因快速的数值方法求解微分方程式(2),该模
15、型相对容易素考虑在数值模型中是必要的,该模型可用于研究密编程,得出的结果与之前的实验结果相一致,证实了模封件几何结构、密封和流体物理特性以及工况条件对型的合理性。密封行为的影响。Salan 60-a1 Yang 32-4 Huang以上模型只考虑了密封件的表面粗糙度,且假设等35-36 开发的数值方法都是基于Maser【2 8 的论文及密封件表面粗糙度服从高斯分布,从而基于Salant等过去对旋转密封的研究经验进行的。其中Greenwood-Williamson模型51 近似处理,而活塞杆表面Yang针对双唇密封和串联密封对文献2 8 的数值模仍然被作为光滑面处理,没有考虑密封接触摩擦引起型做
16、了改进,该模型耦合流体力学、接触力学和变形分的密封件弹性变形。在密封件的往复运动中,当密封析应用于每个唇缘,修改了相应的边界条件,以经过2分别处于干摩擦和混合润滑状态时,密封件所受的接个唇口的流量相等为最终输出判别条件,能够预测典触摩擦是不同的,这种“不同”会反馈到密封件的变形型密封(串联和双唇)在混合润滑条件下的外冲程和内中,从而影响密封区域内的流场,使油膜流体压力分布冲程的泄漏量、油膜厚度分布、流体和接触压力分布以发生显著变化,而流体压力将反过来影响密封件的弹及摩擦力。此外,杨化林和孙维威等37-40 基于 Salant性变形,并最终影响油膜厚度和接触摩擦。密封圈的的数学模型对往复式骨架油
17、封的密封性能展开了系列弹性变形和接触摩擦在数学处理中需要反复迭代、耦研究,在对流体力学进行分析时采用了二维雷诺方程合分析。否则,将无法得到相对准确的油膜厚度,而通描述密封界面的流体力学特性。过跳出耦合分析进行的辅助计算所得到的黏性剪切力以上模型的基本思想是将猜测的初始膜厚用于流也将是不准确的,这种分析也被称为“流固耦合”。近体力学分析,将计算得到的流体压力和有限元分析得年来,YOngin52、L i a o 53、彭超等54 在数学处理中开到的接触压力和影响系数矩阵用于计算膜厚,反复迭始考虑这种耦合分析。代计算直到收敛。而不收敛是这种方法的常见问题。YOngin521提出一种基于非线性有限元模
18、型与薄Huanging35-36开发了一种总负载平衡算法来克服不收敛问题,该方法假设静态接触压力为流体压力和接触压力之和,而变形力学分析可知,流体压力和接触压力之和与静态接触压力的差值影响油膜厚度的分布,因此不收敛问题仍未真正解决。局部细化网格可以有助于收敛41-42 ,但是增加了总的计算时间。为此,彭超等43 提出了基于多重网格法的混合润滑模型,即用插值法处理粗网格中的节点差异问题(接触压力不平滑),并用实验验证了模型的合理性。Hdq/dx2流体膜稳态雷诺方程强耦合的流体动力润滑计算方法,该方法是在商业有限元软件ABAQUS的框架内实施的,在考虑接触摩擦引起的切向变形时,采用了库仑摩擦模型。
19、该方法能够实现流体和轴对称密封件弹性变形的完全强耦合,作者应用该方法给出了O形密封圈在混合润滑和完全润滑状态下的油膜厚度和压力分布。Liao等53 通过模拟往复式O形密封圈与润滑膜之间流固耦合的实际物理过程,同时考虑表面粗粗糙度和接触力学,用迭代方法建立了流固耦合模型,其中3(3)液压气动与密封/2 0 2 3年第8 期油膜厚度的计算寄托于弹性密封件的径向变形数据(由ANSYS给出)。作者基于该模型给出了干摩擦、混合润滑和全膜润滑条件下液压往复O形密封圈的一些典型弹流润滑特性。此外,彭超541 提出的数值模型由干牵引分析、基本油膜计算过程和混合润滑牵引计算组成。将摩擦差造成的节点位移反馈至接触
20、压力的分布中,从而不断更新油膜厚度与摩擦应力值,直至收敛。2瞬态润滑效应研究在往复密封的实际工作情况中,密封状态呈现明显的瞬态特性,活塞杆往复速度及密封压力随时间变化,尤其在冲程开始和内外冲程转换时。密封的摩擦特性及流体膜厚度与瞬态润滑效应息息相关,然而早期研究很少有文献涉及解决往复密封瞬态弹性流体动力润滑的问题,研究者们对该方程的简化通常是将瞬态项省略,简化后的公式忽略掉往复运动冲程的开始和结束,所以只适合处理稳态条件下的润滑问题,且冲程长度需要明显大于密封接触尺寸2 倍的情况55 Chang提出了一种简单而精确的方法来计算运行循环中机器部件的瞬时弹性流体膜厚。他在研究中证实了可以通过忽略等
21、式(1)的左侧来简化瞬态问题的求解,得到的简化方程仅仅是一个经典的波传播的一阶微分方程。Nikas57也将这种简化方法应用到了往复式旋转叶片密封中参数分析的快速计算。实际上,Nikas58在2 0 0 3年时已经开发了一种用于研究液压致动器中往复式活塞杆的矩形橡胶密封件的数值模型,该模型包含了瞬态润滑效应和热效应分析,但这种方法属于上一节提到的早期的文献研究中对形状非常简单的密封件进行的近似解析求解。近十几年来研究者们开始在之前稳态模型的基础上研究瞬态效应对往复密封摩擦学特性的影响。Thatte59 对之前 Salant 等人所研究的稳态模型进行了改进,在计算雷诺方程时,将流体膜的挤压效应考虑
22、在内(Schmidt(c01、X i a n g等6 1 也都是在应用雷诺方程进行流体力学分析时添加了挤压项);为考虑到实际情况中杆速等因素对往复式密封性能的影响,给出了参考实际工况的速度关于时间的函数。为了计算每个时间步的膜厚分布,他将密封元件在给定时间步中密封压力、密封区中的流体压力和接触压力的联合作用下的径向变形也包含进了迭代循环中,其中密封件的变形计算是通过COMSOL在线计算得到的,实现了实际意义上的瞬态密封过程,揭4示了往复密封在一个周期内的密封行为。但是该模型在瞬态研究中主要考虑的密封压力不变的情况下速度随时间的变化对密封性能的影响。后来,Thatte62 又对模型进行了完善,由
23、于密封压力随时间的变化也会对密封件的法向变形造成影响,他将给定时间步的密封压力反馈至动态变形中,进而更新膜厚计算。3热效应研究文献6 3-6 7 通过仿真软件分析了温度对往复密封元件的变形、VonMises应力和接触压力等力学特性的影响规律。此外,温度也会对密封界面油膜行为产生影响,这种热效应同样也是近年来的研究重点。2011年Yang和Salant68在将数值模型应用于流体动力矫形器的微型致动器中的杆密封件的选择过程时,考虑到了流体力学分析中温度对流体黏度的影响。在计算密封区域的温度时,假设在往复运动中产生的热量全部传递到了往复杆上,从而将其简化为带热源在半无限大固体上的热传导问题,然后利用
24、经典公式6 9 求解了界面之间的平均油膜温度,并将温度对流体黏度的影响与流体力学相耦合进行迭代。显然,其对油膜温度的处理比较粗糙,无法准确揭示热效应对密封行为的影响。Wangl70 在计算油膜温度时,引人了膜厚对油膜平均温度的影响,然后对密封件的温度与油膜的平均温度进行了耦合求解,然而该方法还是忽略了活塞杆在往复运动中,油液区域和空气区域对活塞杆温度的影响(热边界条件不同)。在Xiang61711的研究中,考虑到了杆不同区域的热边界条件问题,在不同的区域采用了不同的热对流系数,通过求解杆的传热微分方程间接计算得到油膜的温度。近几年研究者已经开始研究热效应对往复密封性能的影响,但是由于密封区域以
25、及往复运动过程中的产生的热效应相对复杂,现有的研究远远不够,在这方面仍然有大量的工作需要开展。4总结由于早期对于往复密封的理论研究主要集中于宏观力学分析,密封材料本构模型的准确构建是其研究的热点和难点,而随着现代计算工具的发展以及实际工程中密封设计的需要,往复密封的研究逐渐发展为对于“密封件-油膜-活塞杆”组成的往复密封系统的研究,其中研究的侧重点在于对往复密封系统数值模型的构建,通过耦合处理往复密封的固体力学、接触力学和弹性流体动力学来研究密封过程中密封件Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023的微小变形以及密封界面油膜的行为变化,以期待于力的有限元分析J.
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