旋轉(zhuǎn)軸唇形工件磨損仿真分析

旋轉(zhuǎn)軸唇形工件磨損仿真分析

由于旋轉(zhuǎn)軸表面的良好耐腐蝕性和低磨損性，旋轉(zhuǎn)軸表面的自蝕性得到了廣泛使用。早期對密封件使用壽命的預(yù)測主要是通過對大量實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，但是這種方式需要花費大量的人力物力。為此，SALANT與FLAHERTY本文作者使用有限元分析軟件Abaqus對旋轉(zhuǎn)軸唇形密封件的磨損進(jìn)行模擬，通過UMESHMOTION用戶子程序來控制局部區(qū)域的網(wǎng)格自適應(yīng)劃分進(jìn)而實現(xiàn)密封件的動態(tài)磨損過程橡膠密封模型1.1外包骨架型油封如圖2所示，文中研究對象是帶有卡緊彈簧和防塵唇的外包骨架型油封。該結(jié)構(gòu)抗腐蝕性較強，具有較大的密封圈整體剛度，且與機殼間的接觸載荷大，可有效阻止?jié)櫥橘|(zhì)從副密封界面泄漏以及骨架從腔體中脫落1.2旋轉(zhuǎn)閉合元模型如圖3所示，旋轉(zhuǎn)密封件的三維有限元模型由二維軸對稱模型旋轉(zhuǎn)而成。1.2.1本構(gòu)模型及原理密封件本體部分的橡膠材料選用Neo-Hookean超彈性本構(gòu)模型(1)式中：W表示應(yīng)變能密度；I為了避免橡膠材料不可壓縮性所導(dǎo)致的體積閉鎖問題，該部分區(qū)域采用密封件的磨損發(fā)生在唇口部分，即圖2中的4和5所示區(qū)域。文中將在這一區(qū)域使用1.2.2密封件磨損力的分析密封件與轉(zhuǎn)軸裝配后會有較大的過盈量，從而導(dǎo)致顯著的接觸壓力，這是導(dǎo)致密封件產(chǎn)生磨損的重要因素之一。在有限元分析中，摩擦因數(shù)設(shè)為0.25。為避免初始過盈量過大引起計算不收斂，接觸前在唇口處施加一定的預(yù)壓力，然后逐步釋放實現(xiàn)接觸。1.2.3配器產(chǎn)生的剛度密封件唇口的載荷可分為兩部分：由旋轉(zhuǎn)軸與密封件過盈裝配所產(chǎn)生的徑向力以及卡緊彈簧產(chǎn)生的徑向約束力。其中后者在文中將通過在卡緊彈簧位置處施加等效的均布載荷來實現(xiàn)=進(jìn)一步得到均布載荷的大?。?3)式中：旋轉(zhuǎn)磨損模擬2.1計算磨損量的程序選用Abaqus/Standard模塊進(jìn)行有限元分析。在完成一個增量步的計算后，UMESHMOTION子程序會提取相應(yīng)的參數(shù)并根據(jù)磨損模型計算磨損量，進(jìn)而根據(jù)磨損量調(diào)整接觸界面的幾何形狀2.2磨損因子的確定磨損量與實際工況有關(guān)，因此在磨損模擬的實現(xiàn)過程中，引入中間變量磨損因子對磨損速率進(jìn)行調(diào)整，磨損因子基于摩擦功計算公式中的力學(xué)特征參數(shù)推導(dǎo)得到=式中：M表示磨損因子；F滑移率與轉(zhuǎn)動速度及摩擦因數(shù)等參數(shù)有關(guān)M=KF式中K值可根據(jù)前期試驗擬合得到?；诠?5),在計算過程中，可根據(jù)磨損一定時間后的徑向力來調(diào)整磨損因子進(jìn)行下一步運算。模擬結(jié)果和分析3.1唇口磨損模擬唇口輪廓是研究橡膠磨損對密封件密封性能影響十分重要的中間變量，磨損導(dǎo)致唇口形狀改變，密封件和軸之間的過盈量減小，進(jìn)而改變接觸特征，因此研究唇口輪廓變化具有十分重要的意義。在完成每個增量步后，可以根據(jù)唇口表面節(jié)點的位置來獲得磨損后的唇口輪廓。為了表述方便，建立如圖5所示的根據(jù)上述坐標(biāo)系，運用2.1、2.2節(jié)的理論及計算方法對唇口進(jìn)行磨損模擬，其輪廓變化如圖6和圖7所示。從圖6和圖7中可以明顯地看出，在磨損初期(0～15h階段),磨損速度較快；而在15～50h之間變化程度相對平緩。因此，可以將磨損分為2個階段：0～15h快速磨損的初期階段和15h之后的穩(wěn)定磨損階段。從輪廓形貌變化來看，隨著磨損時間的增加，唇口輪廓逐漸變得平緩；并且防塵唇的磨損程度要比主唇口更高，說明橡膠磨損主要發(fā)生在空氣側(cè)。3.2實驗驗證與分析為了更加直觀地得到密封件磨損情況，以及便捷地與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，文中將計算所得的主唇口磨損深度(因為主唇口承擔(dān)了主要的密封任務(wù))與實驗值進(jìn)行對比，以驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。從圖8中可以看出，長時間磨損情況下，磨損深度仿真計算值與實驗值相差較小，其中15h以及50h的磨損深度相差2%左右，符合工業(yè)生產(chǎn)要求，驗證了該方法的正確性。3.3接觸壓力變化接觸壓力作為評定密封件性能的重要參數(shù)也是文中研究的重點。在完成每個增量步后，輸出不同磨損時間主唇口最外側(cè)節(jié)點接觸壓力，繪制接觸壓力隨軸向位置的變化圖，得到接觸壓力隨著磨損時間的變化規(guī)律。如圖9所示，隨著時間的增加，由于唇口材料的磨損，使得密封圈與軸之間的過盈量逐漸減小，從而導(dǎo)致接觸壓力逐漸減小。從圖10中可以看出，在磨損初期0～15h的快速磨損階段，最大接觸壓力迅速減小，而隨后變化逐漸趨于緩慢。這一現(xiàn)象與圖6所示的主唇口輪廓變化規(guī)律一致旋轉(zhuǎn)密封件磨損仿真(1)基于密封及磨損機制，采用有限元的方法，運用Abaqus/UMESHMOTION用戶子程序?qū)πD(zhuǎn)密封件進(jìn)行磨損模擬，實現(xiàn)了密封件的動態(tài)磨損過程和控制局部區(qū)域的網(wǎng)格自適應(yīng)劃分，進(jìn)而實現(xiàn)了對旋轉(zhuǎn)密封件磨損深度及磨損后接觸壓力的計算。該方法在減少重構(gòu)模型工作量的同時，一定程度上提高了計算精度。(2)通過使用磨損因子模型并在磨損模擬過程中對其進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，進(jìn)而控制磨損速度，可獲取更接近實際工況的