唇形油封密封性能及其轴表面织构效应的研究

摘要

唇形油封由于结构简单、性能可靠、安装方便和价格低廉等优点，广泛应用于机械旋转轴的密封场合，其功能是将油腔和外界环境相隔离，起到对内封油、对外防尘的作用，是目前最常用的密封件之一。但是，由于油封密封机理复杂，影响密封性能的因素繁多，人们对油封产品的设计很大程度上仍然依靠经验和试验完成。随着现代机械工况参数向着高温、高速和高压等方向发展，唇形油封面临着零泄漏、低摩擦和长寿命等更加苛刻的性能要求，而传统的油封设计方法和产品显然难以满足上述需求，因此，开展油封密封性能的理论和实验研究具有重要的应用价值。
　　基于此，本文采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，开展油封静态接触特性、密封性能，以及轴表面织构流体效应的研究，主要研究内容和取得的成果如下：
　　(1)分析了唇形油封的结构和安装特点，建立了油封的二维轴对称有限元模型，获得了安装过盈量、橡胶弹性模量、油封内径参数和材料本构模型等因素对油封唇口接触压力、接触宽度和径向力的影响规律，计算得到的油封唇口接触应力和变形分布符合实际工作状态，径向力与工程计算值吻合较好，研究成果有助于油封结构的优化，并可进一步为油封密封性能理论模型的研究提供基础数据；
　　(2)分析了油封唇口的润滑与密封机理，提出了油封稳态工作润滑与密封的数学模型，考虑了唇口密封区液膜空化现象和表面橡胶弹性变形的影响，建立了遵循质量守恒的JFO空化边界条件的润滑力学控制方程，并采用流线迎风有限元法求解控制方程，计算了等膜厚和等闭合力下油封的密封性能，获得了油封操作参数、表面形貌结构参数和材料参数对泵送率、承载力和摩擦扭矩等密封性能参数的影响规律；
　　(3)为提升唇形油封的密封性能，提出了轴表面设置方向性微织构的手段，采用数值方法研究了菱形、椭圆形、矩形和等腰三角形等4种轴表面微凹坑/凸体织构的流体动压效应，分析了轴表面织构的形式、几何参数对油封密封性能的影响，获得了相同条件下矩形微织构优于其他3种织构，微凸体织构优于微凹坑织构的作用规律；
　　(4)由于轴表面微凹坑织构较微凸体容易加工实现，实验对比研究了菱形、椭圆形、矩形和等腰三角形等微凹坑织构类型对丁腈橡胶油封摩擦扭矩的影响，以及实验研究了矩形微凹坑织构方向性角度、面积密度和深度对油封摩擦扭矩的作用规律，并和数值模拟结果进行了对比，得到了初步的验证。
　　论文成果完善了油封的设计理论与方法，对于提升油封的密封性能和使用寿命具有重要的理论价值和实际意义。

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主要符号说明

第1章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2唇形油封概述

1.3国内外研究现状及发展趋势

1.4 研究内容和技术路线

第2章 唇形油封静态接触特性的有限元分析

2.1 引言

2.2 接触问题的非线性

2.3接触问题的有限元分析

2.4 有限元模型的建立

2.5 计算结果和分析

2.6 本章小结

第3章 唇形油封密封性能的数值分析

3.1 引言

3.2数学模型

3.3 数值计算方法

3.4 等基础膜厚下油封密封性能的数值计算

3.5 等闭合力下油封密封性能的数值计算

3.6 本章小结

第4章 唇形油封轴表面织构流体效应的数值分析

4.1 引言

4.2唇形油封轴表面微凹坑织构的研究

4.3唇形油封轴表面微凸体织构的研究

4.4矩形微凹坑与凸体织构的对比研究

4.5 本章小结

第5章 唇形油封轴表面织构密封性能的实验研究

5.1 引言

5.2 油封实验装置

5.3 激光加工轴表面微织构

5.4 测量原理及传感器标定

5.5 实验结果和分析

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2创新点

6.3展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果