張付英　郭威（wēi）

（天津科技大學機械工程學院）

利用ABAQUS軟件建立了雙唇型油封的三維（wéi）有限元分析模型，模擬了雙唇油封（fēng）的靜態（tài）接觸壓力，得（dé）到了主唇（chún）的壓力分布和實際接觸寬度、副唇唇尖的（de）壓力值和位移量等，並與（yǔ）單唇油封的接觸壓力分布進行了比較，分析了影響雙唇型油封整體密封能力的結構參數，提出（chū）了雙唇型油封的結構優化方案，對雙唇（chún）油封（fēng）的結構改進具有一定（dìng）的現實意義。

1　油封（fēng）的結構參數和有限元（yuán）分析模型

1.1 油封的（de）結構模型及參數

為了便於對比（bǐ），文中研究選取的單唇（chún）和雙唇油（yóu）封均（jun1）為帶彈（dàn）簧的內包（bāo）骨架型，型號為（wéi）60 mm×80 mm×8 mm，油封的主體材料均為丁腈橡（xiàng）膠，如圖1所示為初始安裝的2種油封的結構圖。由於（yú）彈簧的緊固作用，主唇口緊緊貼合在旋轉軸上，油封主唇與旋轉軸過盈裝配，過盈量為0.4 mm。α為流體側唇角，取值為35°；β為（wéi）空氣側（cè）唇角，取值為（wéi）15°；R為唇口（kǒu）與彈簧（huáng）軸心的垂直距離，被稱為理論接（jiē）觸寬度，其值（zhí）為0.2 mm。

圖1 單雙唇油封結構（gòu）

1.2 油封的有限元模型

建立（lì）油封的有限元模型時，由於油封材料為邵爾硬度為75的丁腈橡膠，采用兩參數的Mooney-Rivlin模型來描述橡膠材料的應力（lì）變化，參數分別取值為C10 =0.944 MPa，C01=0.236 MPa；用圓形鋼圈來代替彈簧設置，並通過彈簧的勁度係數反求鋼圈的材料屬性，設置鋼圈的彈性模量為1 225 MPa，換算為彈（dàn）簧的勁度係數為15 N/mm。油封的（de）骨架和旋（xuán）轉軸的材料均為45鋼，因（yīn）其變（biàn）形（xíng）相對於橡膠極小，在網格（gé）劃分中將其設置為剛體。模型全部采用自動劃（huá）分（fèn）的六麵體網格單元，由於與旋轉軸（zhóu）接觸的唇口是重點分析部位，所以在劃（huá）分網格時對唇（chún）部進行細分，以保證（zhèng）模擬結果的精確性（xìng）。建立的油封（fēng）的有限元模型如圖（tú）2所示。

圖2 油封的有限元模型

2　油封的靜態仿真結果及分析

在進行油封的有限元分析時，邊界條件設置如下：

(1)將（jiāng）油封外側環形麵完全固定，保證油封不會因其（qí）他（tā）原因產生位置變化。

(2)沿著油封的軸向施加適當的位移，使旋轉軸與主唇接觸達到預工作狀態。

(3)在油封內側，未與密封（fēng）溝槽接觸的表麵施（shī）加係統油壓p。

(4)將內骨架與密封（fēng）圈的橡膠表麵綁定（dìng），如此就形成了良好的邊界約束。

2.1 主唇口的接觸（chù）壓力分析

油封密封性能的好壞主要取決於油封唇口與軸徑間油膜的厚度及接觸（chù）壓力的分布（bù）狀態。油封唇口的接觸壓力是油封主要密封性（xìng）能指標之一，根據唇口接觸壓力分布可初步判斷油封（fēng）是否滿足密封要求。油封唇口接（jiē）觸壓力的大小及分布還影響油膜的形成及存在狀（zhuàng）態，即間接地影響著油封的密封性能和使用壽命。

通過對雙唇（chún）型和（hé）單唇型2種（zhǒng）油封的有限元模擬仿真（zhēn），得到（dào）主唇口的壓力變化曲線，如圖3所（suǒ）示。可見，所分析的2種油封在相同的工（gōng）作條件下，其唇口接觸（chù）壓力分布形狀均滿足油（yóu）封的密封要求。這一分析結果與文（wén）獻[11-13]的（de）結果一致。

圖3 雙唇型和單唇型（xíng）油封唇口接觸壓力（lì）的變化（huà）曲線

從圖3可以看出，2種油封唇口的接觸壓力在軸向的分布趨勢一致；在接觸區域，流體側壓力Z大，在空氣側又逐漸減少為0。由於2種油（yóu）封（fēng）擁有相同的（de）理論接觸寬度和空氣側與流體測唇角，使（shǐ）其在幾乎相同的位（wèi）置，即軸向0.73 mm處達（dá）到Z大接觸壓力，單唇和雙唇的Z大（dà）接觸壓力分（fèn）別為2.359和2.071 MPa，兩者相差14%。在壓（yā）力分布的末端，由於單唇油封接觸壓力下降的（de）趨勢突然放緩，使單唇油封的接觸寬度比雙唇油封寬了0.1 mm。在不考慮防塵散熱等其他因素的條件下（xià），從接觸（chù）壓力的變化曲線可以（yǐ）初步判斷，單唇油封的密封效果比（bǐ）雙唇型略好。這主要是因為單唇（chún）油封沒有防塵唇，空氣側與油封主唇之間表現為緩慢漸進的連接結（jié）構，如圖1(b)所示；而雙唇型油封由於擁有防塵唇，在副唇與（yǔ）主唇之間的連接采用弓形連（lián）接結構(見（jiàn）圖（tú）1(a))，使其擁有比單（dān）唇油封漸進性連接更細的腰部，其結果是骨架（jià）的應力由主唇和副唇承擔，降低（dī）了雙唇型油封主唇處的Z大接觸應力，但雙唇型（xíng）油封主唇的穩定性更（gèng）強。

2.2 副唇變形及接觸壓（yā）力分析

雙唇型油封由於擁（yōng）有防止微小顆粒（lì）直接破壞油膜結構的副唇，副唇（chún）使油封在整體結構上發生了變化。一般雙唇油封副唇的設計是緊貼旋轉軸，即安裝時的過盈量為（wéi）0，旋轉軸與副?唇尖之間既沒有空隙也沒有過盈，這樣才能保持較好（hǎo）的防塵效果，另外還可減少（shǎo）副唇與旋轉軸間的摩擦。但（dàn）在實際安裝過程中，由於主唇與旋轉（zhuǎn）軸之間為過盈配合，裝配後的主唇與自由狀態（tài）相比發生了變形，在主唇與副唇連接處出現了應力變化。因為丁腈橡膠擁有良好的彈性，使得防（fáng）塵唇產（chǎn）生了相應的（de）形狀與位移，如（rú）圖4所示（shì）。

圖4 油封應力雲圖（tú）(MPa)

主（zhǔ）唇過（guò）盈量（liàng）過小，在軸向跳動量大（dà）時（shí），容易造（zào）成流體泄（xiè）漏；過盈量太大，又容易造成“幹接觸”，加速唇口老化。主唇過盈量的變化，會改變主（zhǔ）唇與副（fù）唇連接處的應力值，同時使防塵唇的形狀與（yǔ）位移發生變化，而防塵唇（chún）的應力和變形（xíng）反過來也（yě）會影響主唇的彈性變形。

雖然副唇對流體的密封不起直接作用，但其（qí）因（yīn）應力變化而產生的（de）變形會影響主唇部位的接觸狀態，通過對副唇唇尖區域的壓力和變形分析，得（dé）出了（le）如圖（tú）5所示的副唇唇尖徑向位移變化曲線。顯然，副唇徑向位移（yí）Z大值發生在副（fù）唇唇尖處，其值為0.037 mm，副唇越遠（yuǎn）離空氣側，徑向位移值越小（xiǎo），這就意味著雙唇油封裝配成（chéng）功後由於（yú）丁腈橡膠的變形作用，副唇和旋轉軸之間將產生0.037 mm的空隙。由於空隙的存在，微小顆粒將會滲入密封區（qū）域。文獻（xiàn）[14]的研究表明，存在灰塵時，油（yóu）封（fēng）唇口的磨損會更加嚴重，將會直接導致其使用壽命的減（jiǎn）少。

圖5 副唇唇尖徑向位移曲（qǔ）線

3　雙唇型油封的結構優化（huà）

有限元（yuán）分析結果（guǒ）表明，單唇油封具有比雙唇油封更好的密封效（xiào）果；雙唇油封設計時由於忽略了橡膠在安裝（zhuāng）過程中產生的變形現象，導致實際安裝後防塵唇與旋轉軸之間存在空隙（xì），在動態的工作過程中（zhōng），這一（yī）空隙將會因橡膠的（de）微顫（chàn）動進一步加大，不（bú）能起到較好的防塵（chén）作用。因此，文中在普通（tōng）雙唇油封結構的基礎上，根據有（yǒu）限元（yuán）分析的結果，提出雙唇（chún）油封的結構優化設計（jì）方案，如圖6所示。優化方（fāng）案采用漸進式腰部替換弓形腰（yāo）部結構，同時采用了（le）更長的防塵（chén）唇，以保（bǎo）證安（ān）裝時防塵唇與旋轉軸（zhóu）之間（jiān）有一（yī）定的過盈量。

圖6 雙唇油封（fēng）的結構優化方案（àn）

為了驗（yàn）證優化後油封的密封效果，優化後雙唇油（yóu）封仍保持其尺寸為60 mm×80 mm×8 mm，主體材（cái）料為丁腈橡膠。配合彈（dàn）簧的緊固作用（yòng），油封主唇與旋轉軸為過盈裝配，過盈量為0.4 mm。自由（yóu）狀態時，流體側（cè）唇（chún）角為35°，空氣側唇角為15°，理論接觸寬度為0.2 mm。

對（duì）優化後（hòu）的雙唇油封進行有限元建模，為了研究（jiū）副唇的過盈量對防塵效果的影（yǐng）響，保（bǎo）持其他參數不變，對過盈量為0.05～0.15 mm進行了（le）漸變分析（xī），步長取0.01 mm。結果發現，防塵唇過盈量（liàng）在0.05～0.08 mm之（zhī）間時，安裝後副唇唇尖與旋轉軸無（wú）接觸；防塵（chén）唇過盈量為0.09～0.15 mm時（shí），安（ān）裝後副唇唇尖與旋轉軸（zhóu）間產生了接觸壓力,Z小Z接（jiē）觸壓力為0.55 MPa，Z大為1.32 MPa，且呈直線上（shàng）升。基於此分析結（jié）果，新（xīn）型雙唇油封的副唇過盈量設計時取0.08 mm。

如圖7所示為優化（huà）後的雙唇油封（fēng）與單唇油封以及普通雙唇油封在主唇區域的接觸壓（yā）力曲線。由改良雙唇油封的唇口接觸壓力曲線可以看出：Z大接觸壓力出現在唇尖處，從唇（chún）尖往兩側（cè）油封Z大接觸壓力減少很快；Z大接觸壓力靠近油（yóu）側，空氣側壓力梯（tī）度明顯小於油側壓力梯度。上述分析結果與（yǔ）文獻[15]的分析（xī）結（jié）果一致，可判斷優化後的雙唇油封其主唇口（kǒu）接觸壓力分布滿足密封要求。

圖7 各油封唇口接觸壓力曲線

改良雙唇油封的唇口Z大接觸壓力值逼近單唇油封，並比普通雙唇油封擁有更好的密封效果。改（gǎi）良後的雙唇油封（fēng）在軸向位置（zhì）0.73 mm處達到Z大接觸壓力，其值為2.28 MPa，比普通雙唇油封高出0.21 MPa，提升了大約（yuē）10%。由於（yú）增加了防塵唇的過盈量，使得防塵唇在油封裝配變形後仍保持與旋轉軸接觸，減少了防（fáng）塵唇唇尖與旋轉軸之間的（de）空隙，有效地提升了防塵效果。

4　結論

(1)建立了單唇油封與雙唇油封的三維（wéi）有限元（yuán）模型，模擬了（le）兩者主唇口的壓力變（biàn）化分布曲線（xiàn），結果表明，單唇（chún）油