盾构机唇形密封流固热耦合仿真研究

盾构机主驱动唇形密封性能直接影响整台盾构机的施工效率。盾构机主驱动唇封密封介质为润滑脂,工作时唇口温度可达50～60℃,为更好地预测唇封的密封性能,考虑润滑脂流变特性、唇口温度对流场分析、密封材料的影响,建立盾构机唇形密封流固热耦合仿真模型。利用流速分离法推导润滑脂二维雷诺方程,采用赫兹接触模型计算粗糙峰接触压力,结合有限元软件开展热力耦合分析,实现唇封温度场及摩擦力矩、泄漏率等关键性能参数的定量预测。结果表明：考虑温度场后唇封最大接触压力减小,接触宽度增大,摩擦力矩减小。温度对唇封应力应变状态及密封性能产生较大影响,这对盾构机主驱动唇形密封设计具有一定指导作用。     

旋转轴唇形密封混合润滑理论模型和试验验证

基于旋转轴唇形密封的反向泵送机理,采用流量因子统计学方法同时考虑密封唇表面粗糙峰接触的影响进行唇封性能的理论分析,建立唇封的混合润滑模型,模型耦合考虑流体力学分析,粗糙峰接触力学分析以及变形分析。求解雷诺方程得出油膜压力和切应力,利用GREENWOOD-WILLIAMSON接触模型计算粗糙峰与轴之间的接触压力,采用影响系数法进行变形分析。基于所建立的混合润滑模型,结合一种典型的唇封结构,对评价唇封性能的泵送率和摩擦扭矩进行数值计算,并通过自主研制的台架试验验证了唇封混合润滑模型的正确性。由于表面粗糙峰是导致旋转轴唇形密封产生泵送效果的原因,利用验证的理论模型对粗糙度对泵送率、摩擦扭矩和接触面积的影响进行分析。     

混合润滑状态下旋转唇形密封的失效机制模型

为探究旋转唇形密封的失效机制,综合考虑流体、微凸体、弹性变形和温度对旋转唇形密封的影响,构建旋转唇形密封多场耦合模型,并基于多场耦合模型与关键点更新策略提出混合润滑状态下旋转唇形密封的磨损退化模型仿真方法。通过设计故障模拟试验,将试验结果与仿真结果进行对比,验证了仿真方法的有效性。结果表明：唇形密封件在初期磨损速率较大,之后趋于平缓;唇尖处接触压力最大,磨损速率最大。     

表面纹理对旋转轴唇形密封性能的影响

在唇形密封圈唇端两侧设置整齐排列的圆形、正方形和等边三角形3种凹坑纹理形式,建立具有表面纹理的旋转轴唇形密封圈的有限元模型,并分析获得密封面静态接触压力和变形系数矩阵;建立综合考虑混合润滑和空化及表面纹理形状影响、耦合流体场和弹性变形场的唇形密封圈接触区域密封数值计算模型,并建立集有限元分析与数值计算于一体的唇形密封圈接触区域泵吸率计算流程。计算结果表明:表面纹理结构使得密封唇与轴的接触压力相对下降,且有效地增大唇形密封圈的膜厚并改善泵吸效果;相较于圆形和正方形纹理,三角形纹理对唇形密封圈的改善效果最佳。但表面纹理结构在改善密封区域润滑状态的同时,也造成密封动态压力的波动,且三角形纹理的影响更显著。     

基于流固耦合的旋转轴唇型油封流场特性及泵汲率研究

为研究具有回油沟的橡胶旋转轴唇型密封的流动行为与回油机制,构建润滑油与橡胶的流固耦合模型,对其进行流场、唇部应力、变形及其影响因素分析,并通过试验进行验证。结果表明:以泵汲率作为油封性能指标,在转速1000～6000 r/min范围内,试验测量与数值计算的泵汲率均随着转增加而提高,且在高转速下,流固耦合模型预测的泵汲率比刚体模型更接近实验值。回油沟长度或宽度增加时,有助于高压累积,增加了空气侧与油侧的压差,造成流速加快,单位时间内将有较大流量通过油膜,因此增大泵汲率。但在相同的参数变动率下,接触宽度对泵汲率影响效果不明显,当回油沟与唇尖角度增大时,泵汲率呈现递减趋势,当回油沟角度减少25%时,泵汲率约提高50%。     

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。     

旋转轴唇形密封圈的建模与仿真研究

为了进一步研究唇形密封圈的密封机制,建立唇形密封的理论模型。基于流量因子分析轴向泵汲效应,建立泵汲流量方程;运用圆周平均雷诺方程描述密封界面流场,采用G-W模型近似描述唇轴粗糙峰互相接触下的接触力与径向变形;定量分析密封界面的周向摩擦力,并给出流体摩擦表达式;对以上各因素进行强耦合分析。结合船舶桨轴密封圈的实际应用工况及结构参数进行仿真计算,得出其方向角、膜厚、压力分布,并得到净流量随转速和粗糙度的变化关系。研究结果表明:净流量随转速增加而增加,但增速逐渐变缓;净流量随粗糙度近似呈线性增加,但高粗糙度会使泄漏量增大和导致表面更容易被磨损,因此实际唇口粗糙度的选取应综合考量多种因素。     

一种基于反向泵送机制的唇形密封解析模型

旋转轴唇形密封应用广泛,泵送率和摩擦力矩是评价密封性能的主要依据。基于反向泵送机制,提出一种研究唇形密封性能的解析模型。基于静态力学特性有限元仿真和粗糙峰微单元流场分析,结合混合润滑模型计算结果,建立泵送率和摩擦力矩的计算公式,通过台架实验确定公式中的待定常数。采用解析公式计算其他唇形密封泵送率和摩擦力矩,计算结果与实验测量值、数值仿真结果具有很好的一致性。该解析模型计算简单,可以用于唇形密封的工程设计与分析。     

旋转油封密封织构化界面的密封性能研究

为改善旋转式唇形密封的密封性能,在轴表面开椭圆形织构,考虑密封唇口的径向变形、粗糙峰剪切变形和油膜压力的耦合,建立了唇封三维周期性软弹流润滑模型。采用有限单元法与数值迭代技术求解润滑方程获得了反向泵送率、摩擦扭矩和液膜承载力等性能参数,研究了椭圆形微织构及其结构参数对油封密封性能的影响规律,对椭圆形织构进行了结构优化分析。结果表明,密封轴的表面织构化可明显改善润滑状态,并提高泵送率。该研究对于油封的增强润滑、减少泄漏和磨损具有工程参考价值。     

可脱开式油封脱开转速的有限元分析研究

该文利用有限元分析的方法,对油封高速旋转状态下的脱开转速进行了计算,获得了脱开转速区间;并通过试验验证了计算结果的准确性;同时,通过计算发现弹簧的离心载荷对唇形密封脱开转速影响不大;密封前后压差不变,腰部厚度越小,脱开转速越大;结构尺寸不变,密封前后压差越大,脱开转速越大。相对腰部厚度,油封脱开转速对密封压差变化更为敏感。     

往复式骨架油封密封界面内油膜压力和厚度分布

以汽车减震器密封用的往复式骨架油封为研究对象,基于润滑理论建立密封界面内的流体润滑数值计算模型来分析往复式骨架油封的密封性能,该模型耦合了固体力学、流体力学以及变形力学分析。采用ANSYS有限元分析提取密封区的静接触压力进行固体力学分析,采用超松弛迭代法求解雷诺方程进行流体力学分析,采用影响系数法求解密封唇面的变形,其中假定密封唇面的微凹凸形貌具有正弦和双余弦分布。通过模型分析密封唇面微凹凸形貌、往复速度对密封界面内的油膜压力和厚度的影响规律。结果表明:在2种不同形式的密封唇面微凹凸形貌下,内行程中密封界面内的油膜压力大于外行程的;密封唇面微凹凸形貌以正弦函数分布,往复式骨架油封密封处发生泄漏;密封唇面微凹凸形貌以双余弦函数分布,往复式骨架油封具有良好的密封性能。     

油封唇口温度变化对密封性能的影响

基于流量因子统计学方法建立油封唇口的混合流体润滑模型,耦合油封的能量守恒方程及黏温方程,通过迭代求解获得油封唇口的温度分布、不同转速下油封唇口的最高温度及温差变化情况;对比分析考虑和不考虑温差情况下油封各项密封性能。结果表明:随着转速的增大,唇口最高温度线性递增,而唇口温差先增大后减小;油封工作时,唇口区域的温度先迅速升高后下降,越靠近唇尖的位置温度越高;与不考虑温度的情况比较,考虑温度变化的影响时密封区域的油膜厚度减小,油膜承载力下降,不利于密封。     

基于神经网络的唇封结构优化方法

旋转唇形密封广泛用于机械行业,其密封圈的设计合理性直接影响着密封性能。采用有限元仿真、数值仿真等技术,研究唇口各个关键参数对密封圈性能的影响规律,并结合深度学习技术,利用Pytorch框架搭建出唇封性能神经网络预测模型,拟合出唇封各相关结构参数和其密封性能(泄漏率、摩擦力)之间的影响规律;利用建立的模型在参数空间中找到密封性能最优的一组参数值,通过经典唇封数值仿真技术验证该神经网络模型的准确性,提高了唇封结构优化设计效率。结果表明,基于Pytorch框架所搭建的非线性人工神经网络可建立精度较高的唇封结构参数和密封性能的非线性映射关系,利用这种方法可以快速找到优化程度更高的唇封结构参数,提高了唇封结构优化设计效率。     

基于ABAQUS的油封密封性能研究

利用ABAQUS有限元分析软件模拟和分析旋转轴唇形油封在静态和动态2种状态下的密封性能。通过轴向推动建模方法,建立静态条件下油封的二维有限元模型,并分别对有无弹簧2种情况下的过盈量、弹簧劲度系数及理论接触宽度对油封静态密封指标接触压力和接触宽度的影响进行分析。在动态条件下建立油封的三维有限元模型,并分析旋转轴转速和唇口与轴之间的摩擦因数对油封摩擦力和摩擦扭矩的影响。分析结果表明,过盈量相同的情况下,带弹簧的油封密封性能高于不带弹簧的油封,且油封的密封性能随弹簧劲度系数的增加而提高,随理论接触宽度的增大而降低;密封的摩擦扭矩随摩擦因数的增加而增大,但轴的转速变化对其影响不大。     

考虑微观形貌影响的油封磨损分析

为探讨微观形貌对油封磨损的影响,提出一种包含微观形貌的多尺度模拟方法。该方法不仅涉及了径向力、磨损轮廓等要素,还能反映唇口粗糙峰、轴表面微螺旋槽等微观密封特性。建立油封磨损的仿真流程,模拟油封在润滑条件下的磨损,分析轴表面微螺旋槽数目、油封唇口粗糙度以及温度对油封磨损的影响。结果表明:密封区域内的微观形貌对油封磨损速率和密封性能有着不可忽视的影响;通过降低旋转轴表面微螺旋槽数目和油封唇口表面粗糙度,可以有效地减少旋转唇形密封的磨损;提高唇口表面粗糙度或使油温达到80℃以上,能够通过影响密封区流体动压分布从而提升泵吸率。     

多唇往复滑环式组合密封数值模拟与分析

构建一种适用于多唇往复滑环式组合密封的数值模型,数值模型中包含固体力学分析、流体力学分析、接触力学分析、流固耦合分析。以含有3段密封唇的PS封为例,基于数值模型求解得到密封面油膜厚度分布、油膜压力分布、粗糙峰接触压力分布,以及内外行程的流量和密封界面的摩擦力。该数值计算方法解决了多唇密封中边界条件难确定的问题,通过迭代计算可得到稳态运行时各密封唇的边界条件。明确多唇PS封的密封机制,分析不同往复速度对密封性能的影响。结果表明：多唇PS封内外行程中各唇边界条件差异较大,外行程中,两唇之间的空隙处存在一定压力,内行程中空隙压力为0;外行程的密封面接触压力要小于内行程;增大往复速度会使多唇PS封净泄漏增加,摩擦力减小。     

盾构机主驱动密封结构优化研究

盾构机主驱动密封系统是盾构机的关键系统之一，主驱动密封圈性能直接影响盾构机的性能。对影响盾构机主驱动密封性能的唇形密封圈主要结构参数建立正交试验方案，利用有限元分析软件ABAQUS建立盾构机主驱动密封圈工作过程中开启压力差及接触宽度的计算方法，并按照正交试验方案对开启压力差及接触宽度进行仿真计算，然后对计算结果进行方差分析。分析结果表明：唇形密封圈的唇高度和唇厚度对开启压力差有显著影响，唇曲度和唇高度对接触宽度有显著影响。根据密封要求与分析结果，选取唇曲度为17 mm,唇高度为22.35 mm,压缩量为7.1 mm,唇厚度为5 mm的密封圈结构为最适结构，结构优化后开启压力差降低33%,接触宽度降低23%。     

油封基础知识

1油封的概念油封(Oil seal)是一般密封件的习惯称谓,可分为单体型和组装型,组装型是骨架与唇口材料可以自由组合,一般用于特殊油封。油封是用来封油(油是传动系统中最常见的液体物质,也泛指一般的液体物质之意)的机械元件,它将传动部件中需要润滑的部件与出力部件隔离,不至于让润滑油渗漏。习惯上一般将旋转轴唇形密封圈叫油封,静密封和动密封(一     

动静组合密封在电动工具转子轴上的应用

密封寿命是影响电动工具适用寿命的关键因素和衡量电动工具性能的重要指标。简述唇形油封的密封结构和原理,分析电动工具转子轴动-静组合密封系统的机构和工作原理,对工作状态下油封唇口的位移和应力分布进行仿真,并通过试验验证密封系统的有效性。     

车桥旋转轴唇形密封圈仿真研究

介绍了驱动桥旋转轴唇形密封圈的概况、基本机构形式,阐述了其密封机理,利用有限元分析软件ANSYS建立了密封圈的模型进行仿真,进行了外露骨架油封和内包骨架油封的对比,分析了车桥油封结构对其密封性的影响。结果表明,该模型计算得到的车桥油封静态条件下的变形和Von-mises应力分布情况与实际情况基本一致,且在相同条件下,内包骨架油封比外露骨架油封具有较大的变形量和较大的唇口Von-mises应力分布区域。