油封是一種高技術含量的精密橡膠零件，它是通過柔性橡膠(或者皮革、塑料等)密封件與軸的接觸來防止潤（rùn）滑油或其他介質的泄漏。不（bú）少專家學者對油封的密封機理進行研究，提出了表麵張力理論，吸附理論（lùn），還（hái）有的提出了（le）邊界潤滑理論。而不管是哪種理論，其成立的（de）基礎（chǔ）都是（shì）在軸與油封唇口之間存在著油膜。油膜的存（cún）在狀態直接影響著密封的效果和油封的（de）使用壽命。油封在使用過程中可能出現以下狀（zhuàng）況，即:幹（gàn）摩擦、邊界潤滑、境界潤滑、流體潤滑、大量泄漏。其油膜狀況是:沒有油膜(千摩（mó）擦狀態)、境界潤滑膜(邊界（jiè）潤滑狀態)、流體潤滑膜(境界潤滑狀（zhuàng）態（tài）)、油膜破壞（huài）(流體潤滑狀態)、油膜消失(大量泄漏)。油膜厚度和位置是關係到骨架油封能否具有良好的初（chū）始密（mì）封效果和持久的（de）使用壽命的關鍵.油封處於邊界潤（rùn）滑狀態時油封唇口對軸有（yǒu）良好（hǎo）的（de）接（jiē）觸（chù），而且表麵接觸應力集中（zhōng）分布在寬度為0.lmm~0.25mm的接觸帶上。圖（tú）1(a)是邊界潤滑狀態，接觸應力Pr集中分布，油膜薄（báo）且呈三角形（xíng）分布在空氣側，因此具有良好的吸（xī）附能力和密封效應。圖1(b)是境界潤（rùn）滑狀態，接觸應力分布都比較分（fèn）散。油膜厚（hòu）且（qiě）分布在唇下（xià）的空氣側和油（yóu）例(屬於流體潤滑膜)，因此吸附能力很差（chà），易出現泄漏。圖1(c)是流體潤滑狀態，接觸應力P:嚴重分散。油膜厚且分布不均，因此喪失吸附能力，出現嚴重（chóng）泄漏。 從前人對油（yóu）封（fēng）機理的研究可以看（kàn）出，油封密封性能的好壞，主要取決於油封唇口與軸徑之間油膜的厚度及接觸應力的分布狀態。而油膜的厚度與接觸壓（yā）力的大小有直接的關（guān）係，所（suǒ）以可以說（shuō）油封密封性能的好壞以及壽命的長短在很大程度上取（qǔ）決於油封唇口壓力的大小（xiǎo）及分布（bù）狀（zhuàng）態。本文（wén）利用大型（xíng）有限元分析軟件Ansys建立了油封的有限元模型並進行了模擬分析，從而考察了油封的一些結構參數以及油封用彈簧彈力對油封唇（chún）口壓力大小及分布的影響，為（wéi）對油封進行進一步的結構優化和疲勞分析奠定了基礎。 1 計算模型 由於油封的機構比較複雜，為（wéi）了（le）建模和分析的（de）方便（biàn），在建模時簡化了其形狀，省去了一些對結果不會產生大的影響的一些結構細節。而且考慮到油封在裝配時的完（wán）全軸對稱性（xìng），我們采用二維軸對稱模型（xíng）來模擬（nǐ）實際中的三維問題，這種簡化不會影響分（fèn）析結果，但是將大大減少（shǎo）建模及分析的時間。所（suǒ）建的油封的二維（wéi）軸對稱模型如圖2所示.型號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及空氣側與軸的夾角，又稱為前唇角和後唇角（jiǎo）。 2 有（yǒu）限元模型 本文（wén）所進行的靜態分析中，油封材料(橡膠)的超彈特（tè）性以及分析中存（cún）在的大變形和接觸問（wèn）題，使得（dé）分析（xī）包含（hán）了材料非線性，接觸非線性以及大變形(結構)非線性3種情況。這些（xiē）非線性往往使分析難以收斂，所（suǒ）以為了分析的方便，在不太影響分析結果（guǒ）的情（qíng）況下作者提出了一（yī）些（xiē）假設（shè）。 (1)油封材料具有（yǒu）確定的彈性模量E和泊（bó）鬆比（bǐ）μ; (2)由鋼製造的軸及油封固定外套（tào）的剛（gāng）度是橡膠的幾萬倍，可以不考慮其變形，即視為油封變形時的約（yuē）束邊界（jiè）。 本文用簡化後的（de）Mooney——Revlin模型描述橡膠材（cái）料的應變能函數: W=C1(I1-3)+C2(I2-3) 應力（lì）應變關係為: 本文使用（yòng）的分別為（wéi）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建立接觸對時自動生成的接觸單元TARGE169和CONTA172。求解隻設了一個載（zǎi）荷步（bù）—由軸施加的作為過盈量（liàng）的X方（fāng）向（xiàng）的位移。 3 計算（suàn）結果分析 本文在靜態下（xià）對影響油封唇口接觸壓力大小及分布的（de）因素進行分析。分析結果及分析（xī）如下（xià）。 (1)唇口接觸寬度（dù）R值的大小(如圖2所示)對油封唇（chún）口壓力大小及（jí）分布（bù）的影響. 油封唇口接觸寬度R是指油封唇口與彈簧槽中心（xīn）的（de）軸向距離，它的存在使得接觸壓力主要分布在油封的空（kōng）氣側，從參考文獻中可以知道R值的（de）大小直接影響著唇口壓力的分布，並對油封唇口接觸壓力的大小也有一定的影響。本文通過其它參（cān）數不（bú）變（biàn），隻改變R值的方法分析了R值（zhí）對油封唇口接觸壓力分布及大小的影響，圖4和圖5分別給（gěi）出了唇口Z大接觸壓力和前後唇角接觸寬度隨R值變化的情況（kuàng）。圖6所示的是R=0.6mm時的唇口接（jiē）觸壓（yā）力分布圖。 從分析結（jié）果不（bú）難看出隨（suí）著R值的增大唇口處Z大接觸壓力（lì）會（huì）因為彈簧作（zuò）用的減弱而有一定的減小，但是影響（xiǎng）不是很大。前（qián）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（zài）能夠使接觸主要存在於空氣側觀點。但是與前人理論觀點不同的是，在R值增大的過程中後唇角（jiǎo）接觸寬（kuān）度(即空氣側接觸寬度)也有一定的減小，本文認（rèn）為後唇角接觸寬度（dù）減小（xiǎo）的原因是（shì）彈簧作用的減弱。此分析方法及結果對於設計或者選用油封唇口接（jiē）觸寬度R有一定的指（zhǐ）導意義。 (2)過盈量對（duì）油封唇口壓力大小的（de）影響。 過（guò）盈量是指（zhǐ）在自由狀態(未裝彈簧時)唇口直徑與軸徑之差。它可產生唇口無彈簧時的徑向力，並補償軸的偏（piān）心。過盈量過（guò）小，在安（ān）裝偏心和軸跳動量大時，造成泄漏，降低密封性;過（guò）盈量太（tài）大，使唇口緊貼在軸上，唇軸間的間隙過小，唇和軸之間呈“幹接觸”，在高速旋轉下（xià），唇和軸表麵間便會（huì）迅速產生高溫，加速唇口老化龜裂，甚至燒損密封唇，使密封無效。因此，選（xuǎn）擇適當的過盈量非常（cháng）重要。本（běn）文通過單獨改變（biàn）過盈量的方法分（fèn）析了過盈量（liàng）對接觸（chù）壓力（lì）大小的影響。由於實際當中多數使用彈簧，所以分析在有彈簧（huáng）的情況下進行。本文對過（guò）盈（yíng）量從0.2mm到0.8mm進行了漸變（biàn）分析（xī）。圖7和圖8分別描繪了唇口Z大接觸壓力以及唇（chún）口接（jiē）觸（chù）寬度隨過盈量（liàng）的變化情況。圖9和（hé）圖10所示的是過盈量為（wéi）0.2mm和0.8mm時的唇口接觸壓力分布情（qíng）況。 分（fèn）析的結果證明了前人的經驗結論，分析的方法可以用來根據壓力需要確定過盈量選擇。 (3)彈簧（huáng）勁度對油封唇口壓力的影響的模擬 油（yóu）封彈簧的作用有提高接觸壓力和提（tí）高油封唇口對軸跟隨性的作用。本文對油封（fēng）彈簧勁（jìn）度對油封唇口接觸壓力大小及分布的影響進行了模擬分析。分析在R=0. 6mm，過盈（yíng）為。. 4mm的情況下進行.分（fèn）析結果如圖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（huà）不大，而Z大接觸壓力和後角接觸寬度都隨著彈簧勁度的增大而（ér）增大。這些分析與實際相符，對用戶根據壓（yā）力（lì）需（xū）要選擇彈簧勁度有一定的（de）指導意義（yì）。 (4)後唇角對油封接觸壓力大（dà）小及（jí）分布的影響。 由（yóu）參（cān）考文獻可以知道油封的前（qián）後唇角（jiǎo）的差值對油（yóu）封的泵汲效應有很大影響。選擇合適的前後唇（chún）角大小對於油封（fēng）的（de）密封性能（néng）有很重要的影響。本文（wén）認為（wéi）油封唇口前後唇角，尤其是後唇角的大小對唇口接觸壓力（lì）的大小及分布也（yě）會（huì）有很大的影響.因此本文在靜態情況下分（fèn）析了後（hòu）唇角對接觸壓力分布及（jí）大小的影響。分析在R=0. 6mm，過盈量為0. 4mm，彈簧勁度為3142N/m的（de）情況下進行。所（suǒ）得結果如（rú）圖13和圖14所示。從圖中給出的（de）結果可以看（kàn）出隨著後唇角的增大，接觸寬度明顯的減小，接觸寬度的減小（xiǎo）使得唇口Z大接觸壓力隨之增（zēng）大。此分析方法可以用來根據接（jiē）觸壓力及接觸寬（kuān）度的需要選擇後唇角的大小，對產品設（shè）計有一定的指導意義。 除上述分析（xī）的典型（xíng）參數外（wài），軸的表（biǎo）麵粗糙度，安裝誤差，同軸（zhóu）度，油封（fēng）用橡膠材料參數以（yǐ）及運動情況都對油封唇口的壓力大小及分布存在著影響，也就是都對油封的（de）密封性能存在著（zhe）影響。 4 結（jié）論 1)成功實（shí）現了利用ANSYS對有封（fēng）的靜態非線性分析有限元分析;使多年的經驗設計得到了驗證，為油封的設計（jì）和選擇提供了理論指（zhǐ）導; 2)分析計算了油封唇口接觸寬度、過盈量、彈簧勁度以及油封（fēng）後角大小對油封唇（chún）口接觸壓力大（dà）小及分布（bù）的影響。唇口接觸寬度對油封唇口接觸壓力（lì）的大小影響不大（dà），但是隨著唇口接（jiē）觸寬度R的增大，接觸開始主（zhǔ）要發生在空（kōng）氣側，這剛好體現出了R存在的意義。過盈量是彈簧沒有預緊的油（yóu）封產生唇口壓力的途徑（jìng），從分析可以（yǐ）看出隨著過盈量的增（zēng）大，後角接觸寬度都有明顯的（de）增加，由（yóu）於接（jiē）觸寬度的增加所以唇口接觸（chù）壓力的增加相對較緩。彈簧勁度的增大使得唇口接觸寬度（dù）與Z大接觸壓力（lì）都緩慢增加（jiā）。後唇角接觸寬度隨後唇角的增大有較明顯的（de）減小，而（ér）Z大（dà）接（jiē）觸壓力隨後唇角的增大緩慢地增大（dà）。本（běn）文的這些分（fèn）析及取得的結果對產品的設計和選擇有一定的指導意義（yì），同樣為以（yǐ）後產品結構的（de）優化提供了理論基礎和方法。