基于正交试验的旋转轴唇形密封可靠性影响因素研究

为探讨多因素相互作用对油封可靠性的影响,以某减速器中输入轴与轴承端盖间的油封为研究对象,基于有限元软件获得不同结构参数时油封的静态压力分布曲线和影响系数矩阵,并将分析结果集成到油封的混合数值计算模型,分析并计算油侧唇角、空气侧唇角、理论接触宽度、过盈量、弹簧劲度系数、腰厚、腰长7个结构参数对油封泵送率和摩擦扭矩值的影响;将油封的7个结构参数作为变量因素,以油封泵送率和摩擦扭矩作为响应目标进行正交试验,研究各结构参数对油封密封可靠性的灵敏性。结果表明:各因素对油封泵送率敏感性影响程度由大到小依次为油侧唇角、理论接触宽度、空气侧唇角、腰厚、过盈量、腰长、弹簧劲度系数,各因素对摩擦扭矩的敏感性影响程度由大到小依次为油侧唇角、理论接触宽度、腰厚、弹簧劲度系数、过盈量、空气侧唇角、腰长,表明油侧唇角和理论接触宽度是影响油封可靠性的最主要因素。确定油封参数的最优组合,油封优化后的摩擦扭矩比优化前的更低,因而能够减少油封工作时的摩擦生热量,从而延长油封的使用寿命。     

基于响应曲面法的油封结构参数优化设计

利用有限元分析软件ABAQUS建立旋转轴唇形油封的二维轴对称模型,并分析接触宽度、前后唇角、过盈量以及腰厚等结构参数对油封密封性能的影响。研究结果表明:在研究的结构参数范围内,油封的接触压力分布均满足密封要求;且油封唇口最大接触压力随接触宽度值、前唇角和过盈量的增大而减小,随油封腰部厚度的增加而增大,随后唇角的增大先出现明显增大进而趋于平缓。基于响应曲面法以获得油封面最大接触压力作为优化目标,对旋转轴唇形油封的结构参数进行优化设计,得到最佳的优化组合方案。     

旋转唇形油封密封性能的有限元分析

利用有限元分析软件建立了旋转唇形油封的二维轴对称模型,分析了过盈量、弹簧劲度系数、空气侧唇角3种重要参数对油封接触宽度和唇口接触压力分布的影响,并用理论分析的方法估算出泵汲率和生热量。结果表明:随过盈量的增大,生热量几乎呈直线增加,泵汲率也不断增加,但其增速逐渐变缓;随弹簧劲度系数的增加,生热量不断增加,泵汲率变化不大;随空气侧唇角的增加,油封的泵汲率不断减少;随轴转速增加,油封的泵汲率和生热量均快速增加。     

高速脂润滑滚动轴承密封结构优化与漏脂试验*

针对高速脂润滑滚动轴承密封过早失效的问题,建立油封的热-应力耦合有限元模型,研究油封主要参数和轴承工况参数对油封唇口的最高温度和最大接触应力的影响规律,对油封结构参数进行优化,利用强化温升漏脂试验台进行试验验证。结果表明：高速脂润滑滚动轴承油封密封性能的研究应该考虑温度的影响;唇口的最高温度随轴向过盈量、橡胶材料硬度、密封面摩擦因数、轴承转速和轴承腔内温度的增大而增大;最大接触应力随轴向过盈量和橡胶材料硬度的增大而增大,随密封面摩擦因数、轴承转速和轴承腔内温度的增大变化不大;密封结构优化后,平均漏脂率下降了56.7%,平均温升下降了54.3%。     

聚四氟乙烯油封主要参数及材料性能对密封有效性影响研究

为了研究聚四氟乙烯(PTFE)油封密封件的结构、材料对其密封有效性的影响。本文阐述了初始载荷、摩擦力、流体载荷等主要参数对密封性能的影响,建立了有限元模型和材料模型,在不同过盈量下利用有限元软件ABAQUS对密封件进行静态和动态分析,探讨了密封唇与旋转轴之间的过盈量、接触区域、密封唇口材料性能等对其密封性能的影响。结果表明,过盈量太大会导致旋转轴与密封唇接触区域摩擦力增大,摩擦热会影响材料性能,过盈量太小会导致密封失效。摩擦实验和拉伸试验表明,填充不同的填料对聚四氟乙烯的摩擦磨损性能和抗拉强度都有极大提升。因此根据不同的工况合理设计密封结构参数和选择密封材料对于密封的有效性至关重要。     

2种结构参数旋转轴唇形油封的密封性能研究

应用有限元分析软件ABAQUS,建立了唇形油封的有限元模型,分析了唇口接触压力对油封密封性能的影响。基于有限元分析结果,集成数值计算理论方法,研究了油封运行时,轴转速对温升、泵汲率、摩擦扭矩及密封性能的影响及规律。结果表明:优化前和优化后2种结构参数的油封模型,其各密封性能指标均满足密封要求;且在分析的工作参数范围内,优化后油封随转速的增加,温度增加的幅度和摩擦扭矩明显低于优化前油封,而泵汲率比优化前有显著提高,表明优化后油封具有较佳的密封性能。     

轴表面矩形微螺旋槽织构对唇形油封密封性能的影响

基于唇形油封的反向泵送作用密封原理,提出了一种轴表面矩形微螺旋槽织构,以提升油封密封性能;建立了油封唇口稳态的符合质量守恒的流体润滑理论模型,考虑了油封唇口表面粗糙形貌和弹性变形的影响,采用有限元法求解流体压力控制方程,获得了泵送率和摩擦扭矩等性能参数,研究了矩形微螺旋槽织构参数和轴转速对油封密封性能的影响规律。结果表明：泵送率具有随微螺旋槽角度的增大而呈先缓慢增大后逐渐减小,且螺旋角最佳值约25°,随微螺旋槽深度、线数和轴转速的增大而增大等变化规律;摩擦扭矩具有随微螺旋槽角度、深度的增大而减小,随微螺旋槽线数的增大而增大,随轴转速的增大而呈先增大后减小以至趋于稳定等变化规律。研究结果为轴表面微槽织构提高油封密封性能的设计与应用提供了参考。     

安装过盈量和水压对唇形密封圈密封性能的影响研究

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V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。     

油封唇口静态接触特性的有限元分析

为研究油封唇口和轴表面的静态接触特性,利用Ansys有限元分析软件建立油封二维轴对称有限元模型,获得油封唇口的应力和变形,分析安装过盈量、橡胶弹性模量和油封内径对密封唇口接触压力、接触宽度和径向力等接触特性参数的影响。结果表明,随着安装过盈量增加,唇口接触压力的非对称分布特点越显著,最大接触压力先增加后减少,接触宽度先缓慢增加后快速增加,径向力呈近似线性增加的变化规律;过盈量一定时,随着橡胶弹性模量提高,唇口接触特性参数增大;随着油封内径增大,唇口接触特性参数减小。     

基于ABAQUS的旋转轴唇形油封温度场分析

考虑摩擦生热、热滞后热源对旋转轴唇形密封圈温度场的影响,模拟油封在特定工作条件下的温度分布。应用有限元分析软件ABAQUS,建立唇形油封的三维有限元模型,并对某优化前后的唇形油封的非稳态温度场进行仿真,获得压力、转速与油封温升之间的关系曲线。仿真结果表明:该优化前后的唇形油封的温度场分布均满足密封要求;且在分析的工作参数范围内,密封圈温度随压力的增大而减小,随转速的增加而增大;摩擦面上的温度从两侧向中间逐渐增加,最高温度位于中间位置靠近空气侧;且优化后的油封随着转速的增大和压力的升高,温度的变化幅度趋于平缓,证实了优化后油封的较好密封性能和散热性能。     

斯特林机活塞杆帽式组合密封动密封性能分析

为研究斯特林发动机活塞杆无油润滑帽式组合密封的动密封性能,利用有限元分析软件Abaqus建立帽式密封的二维轴对称有限元模型,基于系统实际工况,研究工质压力对帽式密封性能的影响,得到不同压力下的有效密封区域。静态密封性能分析结果表明,帽式密封环与活塞杆的接触应力是密封的关键,动态密封性能分析结果表明,两者接触应力和密封区域随压力增大而增大,且外行程接触应力略大于内行程。通过热力耦合动态仿真模拟,分析环境温度、摩擦因数、往复运动速度对动密封性能的影响。结果表明:环境温度对帽式密封温度场影响不大,热源主要来自摩擦热;往复运动速度对其密封性能影响也不大,而摩擦因数的影响较大,摩擦因数越小,帽式密封的密封效果越好,使用寿命越长。     

基于田口方法的中低压油封稳健性设计

考虑到目前压力油封理论研究较少,本文基于有限元法建立了油封的二维轴对称接触分析模型,采用田口方法,在中低压工况下研究了油封的几个关键设计参数对其接触特性及稳定性的影响。结果表明:缩减油封腰长,增大腰厚,降低过盈量或增大大气侧夹角均可有效缩小接触宽度、提高密封区域稳定性;增大油封腰部厚度,降低过盈量,加大弹簧槽与唇口的距离,减小弹簧劲度系数皆能有效降低油封径向力、减小径向力的波动。通过合理设计油封唇部结构,可提高油封耐压性,使油封在压力场合中更稳定、可靠运行。     

基于田口法和响应曲面法的旋转唇密封可靠性分析

基于有限元分析软件Abaqus建立旋转唇密封模型,计算得到其静态接触压力和径向变形影响系数矩阵,然后通过油封数值计算模型计算得到其泵吸率;在工况一定的情况下,分析理论接触宽度、前唇角、后唇角、过盈量、腰厚结构参数对密封性能的影响,并应用田口实验法进行正交试验设计,以信噪比作为衡量泵吸率稳定性的指标,得到影响密封可靠性的最佳参数组合;应用响应曲面分析,得到油封的极限状态方程,并通过蒙特卡洛法计算基于结构参数的油封可靠度。结果表明：各结构参数对泵吸率的影响排序依次是理论接触宽度、前唇角、后唇角、过盈量、腰厚;所研究油封的密封可靠度为0.999 87。     

往复式骨架油封压力场的动态分析

针对往复式骨架油封的损坏与泄漏问题,通过合理假设、部位简化以及等效力模拟等方式,采用控制变量法,在ABAQUS中,建立往复式骨架油封的有限元模型,分析过盈量、往复速度、摩擦因数及流体压力对往复式骨架油封密封性能的影响。通过分析发现:过盈量的增加,会导致等效应力的增大,进而使往复式骨架油封唇口部位损伤增大,影响密封性能;往复速度的增大,使进出行程的等效应力都增大,但总体来说,进行程的等效应力大于出行程的等效应力;摩擦因数的增大,使等效应力与接触压力均增大,但前者增长趋势比后者更加明显;流体压力的增大,导致等效应力和接触压力均增大,但是出行程的变化趋势相较于进行程的更加明显。     

基于流固热多场耦合的高速旋转唇形密封性能研究

针对一种橡胶材料高速旋转唇形密封,结合其自身结构及应用工况,通过方程离散化计算等方法,建立定量分析密封系统密封性能的数值仿真模型。基于所建立的模型对密封实际服役状态下界面流体力学、宏观固体力学、表面粗糙峰微观接触力学、唇口摩擦生热等多物理过程之间的耦合关系进行分析,借助实验验证并完善数值仿真模型的准确性。通过所建立的数值仿真分析模型研究油封唇口接触压力分布、唇口温度、摩擦力矩及泄漏率等衡量密封性能的关键参数随转速的变化规律。结果表明：在高转速条件下考虑摩擦生热时油封径向力减小,接触宽度增加,摩擦力矩减小,说明摩擦热对油封密封性能产生较大影响。     

稠油开采中常规螺杆泵定子衬套磨损研究

为研究稠油开采中常规螺杆泵定子衬套的接触磨损,通过摩擦试验研究在不同转速和载荷下,定子衬套所用丁腈橡胶在高温含砂稠油中摩擦因数的变化规律。实验结果表明:定子橡胶的摩擦因数随着转数的增加先增大后减小,之后几乎保持不变;随着法向载荷的增大,定子橡胶的摩擦因数先减小后增大。以试验测得的摩擦因数为依据,利用有限元分析方法,对高温含砂稠油中螺杆泵定转子之间的接触进行分析,研究摩擦因数、过盈量、工作压差等因素对定子衬套接触磨损的影响。分析结果表明:衬套的剪应变随着衬套摩擦因数、过盈量、工作压差的增大而增大;位移量随着摩擦因数的增大而减小,随着过盈量的增大而增大;工作压差不但影响定子衬套内轮廓接触位置的磨损,还加剧衬套外壁面的黏着磨损。     

发动机连杆衬套微动特性分析

针对某型发动机连杆衬套和连杆小头过盈配合引起的微动现象,应用有限元对连杆小头组件爆压时刻的接触过程进行仿真分析;选取过盈量和摩擦因数为试验因子建立正交模拟试验方案,得到过盈量和摩擦因数对连杆衬套微动特性影响规律。结果表明,随过盈量的增大,连杆衬套接触压力增大,摩擦应力减小;随摩擦因数的增大,连杆衬套接触压力先增大后减小,摩擦应力增大;连杆衬套和连杆小头接触面间摩擦因数对连杆衬套微动特性影响显著。     

温度对组合型织构油封密封性能的影响

耦合流体力学、变形分析、接触力学、能量守恒方程和黏温黏压方程,建立具有表面组合型织构油封的密封区域混合润滑数值模型,研究温度对表面组合型织构油封密封性能的影响;通过有限差分法对数值方程离散求解,得到不同表面织构油封唇口的温度分布及不同转速下油封唇口的最高温度,对比分析温升对油封泵吸率、油膜厚度、摩擦扭矩等密封性能的影响。结果表明：油封最高温度位于唇尖处,无织构油封最高温度略高于织构油封,随着转速的增加,油封最高温度也都随之增加;织构的存在会引起油封泵吸率的增加和平均油膜厚度变大;随着温度的升高,油封泵吸率、摩擦扭矩、油膜厚度都会逐渐减小,油封密封性能明显下降,温度升高至一定程度,油封泵吸率会变为负值。     

双唇型油封的密封性能及其结构优化

利用有限元分析软件模拟分析双唇油封主唇区域的静态接触压力分布,并与单唇油封的静态接触压力进行比较;同时分析双唇油封安装后副唇的位移和变形。结果表明:油封的腰部结构不同导致双唇油封主唇区域密封效果低于单唇油封;副唇的位移和变形导致在实际运行中副唇与旋转轴存在空隙,影响防尘效果。为改善双唇油封的性能,提出采用渐进式腰部结构代替原弓形腰部结构和采用较长的防尘唇的双唇型油封结构优化方案。结果表明:采用渐进式腰部结构的双唇油封的主唇口接触压力曲线更接近单唇油封,密封效果优于普通双唇油封;采用较长的防尘唇,且安装时使防尘唇与旋转轴之间具有一定的过盈量,可以使防尘唇在油封装配变形后仍保持与旋转轴接触,减少了防尘唇唇尖与旋转轴之间的空隙,能够有效地提升防尘效果。     

海洋平台油气混输泵轴端密封改进设计与试验研究

针对某海洋平台油气混输泵轴端机械密封在运行过程中存在的失效问题，分析其产生的原因，并对其结构进行改进设计。对改进后机械密封进行实验室台架性能试验，分析不同弹簧比压条件下密封性能随压力的变化和密封端面磨损状况，以及不同端面设计宽度下密封性能随压力和转速的变化。结果表明：减小弹簧比压能略微降低密封端面摩擦功率，但会增大泄漏风险；减小端面宽度能有效提升润滑不良条件下的端面密封性能。确定密封优选设计参数，并对密封样机进行100 h型式试验。试验结果表明，改进后密封端面摩擦功率基本稳定，波动较小，泄漏量满足标准指标要求，验证了该密封结构改进的合理性、优选设计参数的有效性和运行工况的适应性。