油封密封性能的实验研究与数值模拟

发布时间：2017-10-27 17:35

  本文关键词：油封密封性能的实验研究与数值模拟

  更多相关文章： 油封 泵汲效应 有限元分析 摩擦生热 温度场

【摘要】：油封是一种重要的密封件,然而很多油封在使用过程中因漏油和过热而发生密封失效。如果能在油封设计时就预测出油封的泵汲率和温度场,将有助于提高油封密封性能和设计效率。本文采用实验与数值模拟相结合的方法对油封的泵汲效应和摩擦生热性能进行研究。首先在油封试验机上对油封进行密封性能实验,实验包括两部分:一是采用热电偶对四种不同结构形式的油封在有弹簧和无弹簧时的唇部温度进行测量,用以反映出油封摩擦生热能力,并通过反装油封测得泵汲率;二是采用红外成像仪测量1#油封在不同油温和轴转速下的轴表面温度,并测得泵汲率。然后针对实验研究的四种油封,建立二维轴对称有限元模型用以分析其柯西接触应力和接触宽度,计算得到其单位周长径向载荷。并重点对1#油封进行分析,研究过盈量和弹簧参数对油封柯西接触应力的影响。此外,建立1#油封的二维轴对称CFD数值模型,来模拟油封在不同轴转速和油温下的温度场分布,最后将该温度场分布与红外测温实验的结果进行对比。通过上述实验研究及数值模拟,得到如下结论:1)实验结果表明油封的泵汲率与油封结构、弹簧弹力大小、轴转速以及润滑油温度都有关。油封结构不同,泵汲率不同;除4#油封外,其它油封的泵汲率都随轴转速的增加而增加;当轴转速不变时,1#油封的泵汲率随润滑油温度的增加而减小,这也表明润滑油的黏温特性对油封的泵汲效应有重要影响。油封的摩擦生热性能不仅与油封结构相关,还受弹簧影响,弹簧的弹力越大,生热量越大。2)有限元模拟结果表明不同结构的油封,其静态柯西接触应力有所不同,但分布情况大致相似,各结构油封的最大接触应力都发生在油封唇尖且靠近油侧;1#油封的最大接触应力、接触宽度及径向接触载荷随过盈量和弹簧预紧力的增加均逐渐增加,而受弹簧劲度系数的影响很小。3)为了更真实的反映油封的摩擦生热机理和散热过程,本文在CFD模拟时考虑了油封橡胶的导热和散热作用。结果显示接触宽度内,油封唇口表面的温度高于轴表面温度,油封唇体内部的温度梯度大于轴内部的温度梯度,大约有98%的热量通过轴导出。4)油膜厚度、摩擦生热率、摩擦系数和油封唇口与轴表面最大温差都随轴转速增加而增加,随油温的增加而减小;而唇口最高温度随轴转速和油温的增加而增加。5)由公式计算得到的泵汲率与实验数据有一定差距,这主要是理论计算过程中没有考虑油封唇口与轴表面的微粗糙体对流体流动的影响,然而两者所得到的泵汲率随油温和轴转速的变化趋势相同。6)红外测温实验与CFD数值模拟结果取得了较好的一致性,这克服了油封唇口温度不能直接测量的难题,在油封设计过程中可以通过公式计算出泵汲率,数值模拟预测出油封的温度场。
【关键词】：油封 泵汲效应 有限元分析 摩擦生热 温度场
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB42
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 主要符号表10-11
• 1 绪论11-23
• 1.1 油封相关知识的介绍11-14
• 1.1.1 油封的简介11-12
• 1.1.2 油封的结构和分类12-13
• 1.1.3 油封的主要结构参数13-14
• 1.1.4 油封的常用材料14
• 1.2 油封的国内外研究现状14-20
• 1.2.1 国外研究现状15-18
• 1.2.2 国内研究现状18-20
• 1.3 课题研究背景及意义20-21
• 1.4 课题主要研究内容21-23
• 2 油封泵汲效应与摩擦生热的理论23-29
• 2.1 油封泵汲效应机理23-24
• 2.1.1 微观密封机理23-24
• 2.1.2 宏观密封机理24
• 2.2 油封泵汲率计算式的推导24-28
• 2.2.1 雷诺方程介绍24-25
• 2.2.2 油封泵汲率和最小油膜厚度表达式25-28
• 2.3 油封唇口摩擦生热的理论28-29
• 3 油封密封性能的实验研究29-41
• 3.1 油封泵汲率实验原理29-30
• 3.1.1 油封试验机29-30
• 3.1.2 油封泵汲率测量原理30
• 3.2 温度测量方法30-32
• 3.2.1 热电偶测量油封唇部温度31
• 3.2.2 红外成像仪测量空气中轴表面温度31-32
• 3.3 不同结构油封密封性能实验32-37
• 3.3.1 实验方案及步骤32-34
• 3.3.2 实验结果与分析34-37
• 3.4 1#油封在不同油温时的密封性能实验37-39
• 3.4.1 实验方案及步骤37-38
• 3.4.2 实验结果与分析38-39
• 3.5 小结39-41
• 4 油封接触应力的有限元分析41-53
• 4.1 有限元法简介41-42
• 4.2 油封与轴接触有限元模型的建立42-45
• 4.2.1 模型网格划分42-43
• 4.2.2 油封橡胶材料模型43-44
• 4.2.3 弹簧的设置44-45
• 4.2.4 接触分析与边界条件45
• 4.3 有限元模拟结果与分析45-51
• 4.3.1 四种油封的柯西接触应力45-48
• 4.3.2 过盈量对油封接触应力的影响48-49
• 4.3.3 弹簧对油封接触应力的影响49-51
• 4.4 小结51-53
• 5 油封唇口温度场的CFD数值模拟及结果分析53-69
• 5.1 CFD基本方法53-54
• 5.2 油封生热散热模型建立54-58
• 5.2.1 物理模型的建立54-55
• 5.2.2 数学模型的建立55-57
• 5.2.3 网格划分及无关性分析57-58
• 5.3 计算工况设置58-60
• 5.3.1 求解器设置58-59
• 5.3.2 材料物性参数59
• 5.3.3 边界条件59-60
• 5.4 模拟结果与分析60-65
• 5.4.1 油膜厚度随油温和轴转速的变化60
• 5.4.2 油封生热率与轴转速和油温的关系60-61
• 5.4.3 油封唇口最高温度与轴转速和油温的关系61-62
• 5.4.4 油封唇口与轴表面温度分布随油温和轴转速的变化62-63
• 5.4.5 摩擦系数随轴转速和油温的变化63-64
• 5.4.6 油封唇口温度场分布64-65
• 5.5 模拟结果与实验结果的对比65-66
• 5.6 小结66-69
• 6 结论与展望69-71
• 6.1 全文总结69-70
• 6.2 工作展望70-71
• 致谢71-73
• 参考文献73-77
• 附录77
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录77

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本文编号：1104512