作者：王保森 何紅 楊偉民
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滑油或其他介質的泄漏。不少專家學者對油封的密封機理進行研究，提出了表面張力理論，吸附理論，還有的提出了邊界潤滑理論。而不管是哪種理論，其成立的基礎都是在軸與油封唇口之間存在著油膜。油膜的存在狀態直接影響著密封的效果和油封的使用壽命。油封在使用過程中可能出現以下狀況，即:干摩擦、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(千摩擦狀態)、境界潤滑膜(邊界潤滑狀態)、流體潤滑膜(境界潤滑狀態)、油膜破壞(流體潤滑狀態)、油膜消失(大量泄漏)。油膜厚度和位置是關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鍵.油封處于邊界潤滑狀態時油封唇口對軸有良好的接觸，而且表面接觸應力集中分布在寬度為0.lmm~0.25mm的接觸帶上。圖1(a)是邊界潤滑狀態，接觸應力Pr集中分布，油膜薄且呈三角形分布在空氣側，因此具有良好的吸附能力和密封效應。圖1(b)是境界潤滑狀態，接觸應力分布都比較分散。油膜厚且分布在唇下的空氣側和油例(屬于流體潤滑膜)，因此吸附能力很差，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，出現嚴重泄漏。
從前人對油封機理的研究可以看出，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力的分布狀態。而油膜的厚度與接觸壓力的大小有直接的關系，所以可以說油封密封性能的好壞以及壽命的長短在很大程度上取決于油封唇口壓力的大小及分布狀態。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口壓力大小及分布的影響，為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 由于油封的機構比較復雜，為了建模和分析的方便，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全軸對稱性，我們采用二維軸對稱模型來模擬實際中的三維問題，這種簡化不會影響分析結果，但是將大大減少建模及分析的時間。所建的油封的二維軸對稱模型如圖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，又稱為前唇角和后唇角。 2 有限元模型 本文所進行的靜態分析中，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題，使得分析包含了材料非線性，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，在不太影響分析結果的情況下作者提出了一些假設。 (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倍，可以不考慮其變形，即視為油封變形時的約束邊界。 本文用簡化后的Mooney——Revlin模型描述橡膠材料的應變能函數: W=C1(I1-3)+C2(I2-3) 應力應變關系為:
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。求解只設了一個載荷步—由軸施加的作為過盈量的X方向的位移。 3 計算結果分析 本文在靜態下對影響油封唇口接觸壓力大小及分布的因素進行分析。分析結果及分析如下。 (1)唇口接觸寬度R值的大小(如圖2所示)對油封唇口壓力大小及分布的影響.
圖2 油封集合模型
圖3 油封的有限元模型
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，從參考文獻中可以知道R值的大小直接影響著唇口壓力的分布，并對油封唇口接觸壓力的大小也有一定的影響。本文通過其它參數不變，只改變R值的方法分析了R值對油封唇口接觸壓力分布及大小的影響，圖4和圖5分別給出了唇口Z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時的唇口接觸壓力分布圖。
圖4 油封Z大接觸壓力隨R值的變化
圖5 油封前后角接觸寬度隨R值的變化
從分析結果不難看出隨著R值的增大唇口處Z大接觸壓力會因為彈簧作用的減弱而有一定的減小，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觀點。但是與前人理論觀點不同的是，在R值增大的過程中后唇角接觸寬度(即空氣側接觸寬度)也有一定的減小，本文認為后唇角接觸寬度減小的原因是彈簧作用的減弱。此分析方法及結果對于設計或者選用油封唇口接觸寬度R有一定的指導意義。 (2)過盈量對油封唇口壓力大小的影響。 過盈量是指在自由狀態(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，并補償軸的偏心。過盈量過小，在安裝偏心和軸跳動量大時，造成泄漏，降低密封性;過盈量太大，使唇口緊貼在軸上，唇軸間的間隙過小，唇和軸之間呈“干接觸”，在高速旋轉下，唇和軸表面間便會迅速產生高溫，加速唇口老化龜裂，甚至燒損密封唇，使密封無效。因此，選擇適當的過盈量非常重要。本文通過單獨改變過盈量的方法分析了過盈量對接觸壓力大小的影響。由于實際當中多數使用彈簧，所以分析在有彈簧的情況下進行。本文對過盈量從0.2mm到0.8mm進行了漸變分析。圖7和圖8分別描繪了唇口Z大接觸壓力以及唇口接觸寬度隨過盈量的變化情況。圖9和圖10所示的是過盈量為0.2mm和0.8mm時的唇口接觸壓力分布情況。
圖7 唇口Z大接觸壓力隨過盈量的變化
圖8 唇口接觸寬度隨過盈量的變化
圖9 過盈量為0.2mm時唇口壓力分布情況
圖10 過盈量為0.8mm時唇口壓力分布情況
分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)彈簧勁度對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軸跟隨性的作用。本文對油封彈簧勁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，過盈為。. 4mm的情況下進行.分析結果如圖12和圖13所示.由圖中所示的分析結果可以看出前角接觸寬度變化不大，而Z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。這些分析與實際相符，對用戶根據壓力需要選擇彈簧勁度有一定的指導意義。
圖11 唇口Z大接觸壓力隨彈簧勁度的變化
圖12 唇口接觸寬度隨彈簧勁度的變化
(4)后唇角對油封接觸壓力大小及分布的影響。 由參考文獻可以知道油封的前后唇角的差值對油封的泵汲效應有很大影響。選擇合適的前后唇角大小對于油封的密封性能有很重要的影響。本文認為油封唇口前后唇角，尤其是后唇角的大小對唇口接觸壓力的大小及分布也會有很大的影響.因此本文在靜態情況下分析了后唇角對接觸壓力分布及大小的影響。分析在R=0. 6mm，過盈量為0. 4mm，彈簧勁度為3142N/m的情況下進行。所得結果如圖13和圖14所示。從圖中給出的結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Z大接觸壓力隨之增大。此分析方法可以用來根據接觸壓力及接觸寬度的需要選擇后唇角的大小，對產品設計有一定的指導意義。
圖13 唇口Z大接觸壓力隨唇角大小的變化
圖14 后唇口接觸寬度隨后唇角大小的變化
除上述分析的典型參數外，軸的表面粗糙度，安裝誤差，同軸度，油封用橡膠材料參數以及運動情況都對油封唇口的壓力大小及分布存在著影響，也就是都對油封的密封性能存在著影響。 4 結論 1)成功實現了利用ANSYS對有封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，為油封的設計和選擇提供了理論指導; 2)分析計算了油封唇口接觸寬度、過盈量、彈簧勁度以及油封后角大小對油封唇口接觸壓力大小及分布的影響。唇口接觸寬度對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，接觸開始主要發生在空氣側，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封產生唇口壓力的途徑，從分析可以看出隨著過盈量的增大，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較緩。彈簧勁度的增大使得唇口接觸寬度與Z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Z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果對產品的設計和選擇有一定的指導意義，同樣為以后產品結構的優化提供了理論基礎和方法。
