本文關(guān)鍵詞：油封密封性能的實驗研究與數(shù)值模擬

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【摘要】：油封是一種重要的密封件,然而很多油封在使用過程中因漏油和過熱而發(fā)生密封失效。如果能在油封設(shè)計時就預測出油封的泵汲率和溫度場,將有助于提高油封密封性能和設(shè)計效率。本文采用實驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對油封的泵汲效應和摩擦生熱性能進行研究。首先在油封試驗機上對油封進行密封性能實驗,實驗包括兩部分:一是采用熱電偶對四種不同結(jié)構(gòu)形式的油封在有彈簧和無彈簧時的唇部溫度進行測量,用以反映出油封摩擦生熱能力,并通過反裝油封測得泵汲率;二是采用紅外成像儀測量1#油封在不同油溫和軸轉(zhuǎn)速下的軸表面溫度,并測得泵汲率。然后針對實驗研究的四種油封,建立二維軸對稱有限元模型用以分析其柯西接觸應力和接觸寬度,計算得到其單位周長徑向載荷。并重點對1#油封進行分析,研究過盈量和彈簧參數(shù)對油封柯西接觸應力的影響。此外,建立1#油封的二維軸對稱CFD數(shù)值模型,來模擬油封在不同軸轉(zhuǎn)速和油溫下的溫度場分布,最后將該溫度場分布與紅外測溫實驗的結(jié)果進行對比。通過上述實驗研究及數(shù)值模擬,得到如下結(jié)論:1)實驗結(jié)果表明油封的泵汲率與油封結(jié)構(gòu)、彈簧彈力大小、軸轉(zhuǎn)速以及潤滑油溫度都有關(guān)。油封結(jié)構(gòu)不同,泵汲率不同;除4#油封外,其它油封的泵汲率都隨軸轉(zhuǎn)速的增加而增加;當軸轉(zhuǎn)速不變時,1#油封的泵汲率隨潤滑油溫度的增加而減小,這也表明潤滑油的黏溫特性對油封的泵汲效應有重要影響。油封的摩擦生熱性能不僅與油封結(jié)構(gòu)相關(guān),還受彈簧影響,彈簧的彈力越大,生熱量越大。2)有限元模擬結(jié)果表明不同結(jié)構(gòu)的油封,其靜態(tài)柯西接觸應力有所不同,但分布情況大致相似,各結(jié)構(gòu)油封的最大接觸應力都發(fā)生在油封唇尖且靠近油側(cè);1#油封的最大接觸應力、接觸寬度及徑向接觸載荷隨過盈量和彈簧預緊力的增加均逐漸增加,而受彈簧勁度系數(shù)的影響很小。3)為了更真實的反映油封的摩擦生熱機理和散熱過程,本文在CFD模擬時考慮了油封橡膠的導熱和散熱作用。結(jié)果顯示接觸寬度內(nèi),油封唇口表面的溫度高于軸表面溫度,油封唇體內(nèi)部的溫度梯度大于軸內(nèi)部的溫度梯度,大約有98%的熱量通過軸導出。4)油膜厚度、摩擦生熱率、摩擦系數(shù)和油封唇口與軸表面最大溫差都隨軸轉(zhuǎn)速增加而增加,隨油溫的增加而減小;而唇口最高溫度隨軸轉(zhuǎn)速和油溫的增加而增加。5)由公式計算得到的泵汲率與實驗數(shù)據(jù)有一定差距,這主要是理論計算過程中沒有考慮油封唇口與軸表面的微粗糙體對流體流動的影響,然而兩者所得到的泵汲率隨油溫和軸轉(zhuǎn)速的變化趨勢相同。6)紅外測溫實驗與CFD數(shù)值模擬結(jié)果取得了較好的一致性,這克服了油封唇口溫度不能直接測量的難題,在油封設(shè)計過程中可以通過公式計算出泵汲率,數(shù)值模擬預測出油封的溫度場。
【關(guān)鍵詞】：油封 泵汲效應 有限元分析 摩擦生熱 溫度場
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB42
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 主要符號表10-11
• 1 緒論11-23
• 1.1 油封相關(guān)知識的介紹11-14
• 1.1.1 油封的簡介11-12
• 1.1.2 油封的結(jié)構(gòu)和分類12-13
• 1.1.3 油封的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)13-14
• 1.1.4 油封的常用材料14
• 1.2 油封的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-20
• 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀15-18
• 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀18-20
• 1.3 課題研究背景及意義20-21
• 1.4 課題主要研究內(nèi)容21-23
• 2 油封泵汲效應與摩擦生熱的理論23-29
• 2.1 油封泵汲效應機理23-24
• 2.1.1 微觀密封機理23-24
• 2.1.2 宏觀密封機理24
• 2.2 油封泵汲率計算式的推導24-28
• 2.2.1 雷諾方程介紹24-25
• 2.2.2 油封泵汲率和最小油膜厚度表達式25-28
• 2.3 油封唇口摩擦生熱的理論28-29
• 3 油封密封性能的實驗研究29-41
• 3.1 油封泵汲率實驗原理29-30
• 3.1.1 油封試驗機29-30
• 3.1.2 油封泵汲率測量原理30
• 3.2 溫度測量方法30-32
• 3.2.1 熱電偶測量油封唇部溫度31
• 3.2.2 紅外成像儀測量空氣中軸表面溫度31-32
• 3.3 不同結(jié)構(gòu)油封密封性能實驗32-37
• 3.3.1 實驗方案及步驟32-34
• 3.3.2 實驗結(jié)果與分析34-37
• 3.4 1#油封在不同油溫時的密封性能實驗37-39
• 3.4.1 實驗方案及步驟37-38
• 3.4.2 實驗結(jié)果與分析38-39
• 3.5 小結(jié)39-41
• 4 油封接觸應力的有限元分析41-53
• 4.1 有限元法簡介41-42
• 4.2 油封與軸接觸有限元模型的建立42-45
• 4.2.1 模型網(wǎng)格劃分42-43
• 4.2.2 油封橡膠材料模型43-44
• 4.2.3 彈簧的設(shè)置44-45
• 4.2.4 接觸分析與邊界條件45
• 4.3 有限元模擬結(jié)果與分析45-51
• 4.3.1 四種油封的柯西接觸應力45-48
• 4.3.2 過盈量對油封接觸應力的影響48-49
• 4.3.3 彈簧對油封接觸應力的影響49-51
• 4.4 小結(jié)51-53
• 5 油封唇口溫度場的CFD數(shù)值模擬及結(jié)果分析53-69
• 5.1 CFD基本方法53-54
• 5.2 油封生熱散熱模型建立54-58
• 5.2.1 物理模型的建立54-55
• 5.2.2 數(shù)學模型的建立55-57
• 5.2.3 網(wǎng)格劃分及無關(guān)性分析57-58
• 5.3 計算工況設(shè)置58-60
• 5.3.1 求解器設(shè)置58-59
• 5.3.2 材料物性參數(shù)59
• 5.3.3 邊界條件59-60
• 5.4 模擬結(jié)果與分析60-65
• 5.4.1 油膜厚度隨油溫和軸轉(zhuǎn)速的變化60
• 5.4.2 油封生熱率與軸轉(zhuǎn)速和油溫的關(guān)系60-61
• 5.4.3 油封唇口最高溫度與軸轉(zhuǎn)速和油溫的關(guān)系61-62
• 5.4.4 油封唇口與軸表面溫度分布隨油溫和軸轉(zhuǎn)速的變化62-63
• 5.4.5 摩擦系數(shù)隨軸轉(zhuǎn)速和油溫的變化63-64
• 5.4.6 油封唇口溫度場分布64-65
• 5.5 模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比65-66
• 5.6 小結(jié)66-69
• 6 結(jié)論與展望69-71
• 6.1 全文總結(jié)69-70
• 6.2 工作展望70-71
• 致謝71-73
• 參考文獻73-77
• 附錄77
• A. 作者在攻讀學位期間發(fā)表的論文目錄77

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本文編號：1104512