装备环境工程第20卷第11期·98·EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING2023年11月
杨立强1，叶辉2，刘震2*，冯健2，贾龙凯2，封富顺2，
曾昭勇2，陈洁2，牟沛2，宋金朋2
（1.海军装备部驻广州地区军事代表局，广州 510300；2.重庆齿轮箱有限责任公司，重庆 402263）
摘要：目的针对船用唇形密封使用过程中的唇口破坏问题，研究唇形密封失效影响因素及唇形密封应力、位移、接触压力分布特性。方法模拟实船齿轮箱输入结构搭建试验台，进行密封失效因素分析，并利用有限元分析软件建立旋转唇形密封的二维轴对称模型，分析过盈量及橡胶本体材料参数对唇形密封应力、位移、唇尖接触压力分布的影响。结果除密封材料及密封接触应力因素不确定外，其他所列因素几乎均未发生泄漏，因此进一步对不同材料及接触特性进行有限元分析。研究表明，3种材料中，2号材料的V on Mises 应力值最大，且不管何种材料，随着过盈量增加，唇尖应力沿着参考线先增大后、逐渐减小、再增大，并呈现非对称分布，过盈量超过0.4 mm时，唇形密封的最大应力出现在骨架与橡胶本体接触圆角处。随着过盈量的增加，3种材料唇尖最大接触压力的变化趋势不同，最大V on Mises 接触应力逐渐增大，且过盈量在
0.6 mm之后增速较快，唇尖接触线位置接触压力先减小、后逐渐增大，拐点在接触线位置0.25~0.3 mm处。
结论油温、油压、安装方式、偏心量、转速对于唇形密封失效的影响较小。材料属性与过盈量都会引起唇形密封V on Mises应力及唇尖接触压力发生较大变化，只是影响应力峰值大小不同，材料属性对于唇形密封本体位移的影响较小，过盈量会引起位移较大变化，且会引起最大应力位置变化，同时接触线接触应力与接触压力大小没有相关性。对于唇形密封安装来说，在过盈量为0.8 mm左右时较为合理。
关键词：唇形密封；失效因素分析；正交试验；接触分析；非线性材料；有限元仿真
中图分类号：TJ07 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2023)11-0098-09
DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2023.11.013
Experiment and Simulation on the Failure Factors of a Marine Lip Seal
YANG Li-qiang1, YE Hui2, LIU Zhen2*, FENG Jian2, JIA-Long-kai2, FENG Fu-shun2,
ZENG Zhao-yong2, CHEN Jie2, MOU Pei2, SONG Jin-peng2
(1. Bureau of Military Representative of the Naval Armaments Department in Guangzhou, Guangzhou 510300, China;
2. Chongqing Gear Box Co. Ltd., Chongqing 402263, China)
ABSTRACT: The work aims to study the affecting factors of lip seal failure and the distribution characteristics of stress, dis-placement and contact pressure of lip seal, so as to solve the problem of lip breakage during the use of marine lip seal.A test bench was built to simulate the input structure of a real marine gear box to analyze the failure factors of the seal. A
贾盛强收稿日期：2023-05-25；修订日期：2023-08-14
Received：2023-05-25；Revised：2023-08-14
基金项目：国家重点研发计划（202119ZZ）
Fund：National Key Program of Research and Development Funded Project (202119ZZ)
引文格式：杨立强, 叶辉, 刘震, 等. 某船用唇形密封失效因素试验及仿真模拟研究[J]. 装备环境工程, 2023, 20(11): 98-106.
YANG Li-qiang, YE Hui, LIU Zhen, et al. Experiment and Simulation on the Failure Factors of a Marine Lip Seal[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(11): 98-106.
*通信作者（Corresponding author）
第20卷第11期杨立强，等：某船用唇形密封失效因素试验及仿真模拟研究·99·
two-dimensional axisymmetric model of the rotary lip seal was established by finite element analysis software to analyze the ef-fects of interference and rubber body material parameters on the stress distribution, displacement distribution and lip tip contact pressure distribution of the lip seal.Almost no leakage occurred under the factors except the uncertain factors such as sealing material and sealing contact stress. Therefore, the finite element analysis of different materials and contact characteristics was further carried out, and the study showed that the V on Mises stress value of No. 2 material was found to be the largest after cal-culation of the three materials, and for any kind of material, with the increase of the interference, the lip tip stress increased firstly along the reference line, then gradually decreased and then increased, and presented an asymmetric distribution. When the interference exceeded 0.4 mm, the maximum stress of the lip seal appeared at the rounded corner of the contact between the skeleton and the rubber body. With the increase of interference, the change trend of the maximum contact pressure at the lip tips of three materials was different and the maximum V on Mises contact stress gradually increased, the interference increased faster after 0.6 mm, and the contact pressure at the lip tip contact line firstly decreased and then gradually increased. The inflection point was between 0.25 mm and 0.3 mm at the position of the contact line.It is found that oil temperature, oil pressure, installa-tion mode, eccentricity and rotating speed have little effect on the failure factors of lip seal. The V on Mises stress and the contact pressure of the lip tip of the lip seal will change greatly due to the material property and interference, but the peak value of the stress will be different. The displacement of the lip seal body will not be affected by the material property, but the interference will cause a large change in displacement and the maximum stress positio
n, and there is no correlation between contact stress and contact pressure. For the installation of lip seal, it is reasonable when the interference is about 0.8 mm.
KEY WORDS: lip seal; failure factor analysis; orthogonal experiment; contact analysis; nonlinear material; finite element simulation
唇形密封是保证舰船可靠运行的重要部件，被广泛应用于船用齿轮箱输入轴高速密封。相关研究表明[1]，齿轮箱输入轴在高速旋转的过程中，会使得唇口温度急剧上升，进而导致唇口加速磨损而破坏，严重影响其使用寿命。对于提升舰船齿轮箱可靠性来讲，唇形密封件的失效因素试验研究及仿真模拟研究对于提升设备可靠运行具有重要意义。
对于密封圈的环境试验、使用条件试验及寿命评估是研究其使用、储存维修的主要手段[2-6]。张付英等[7]利用试验研究了唇形密封结构参数对密封可靠性的影响。周新建等[8]利用试验研究了唇形密封结构参数及唇形密封的密封性能及破损特性。Kim等[9]利用有限元方法及试验方法研究了唇形密封接触压力及唇尖摩擦生热量与过盈量的变化关系。张灿等[10]使用有限元软件以及编写程序来模拟唇形密封件的动态磨损过程，进而观察了唇口接触压力随着时间变化的规律。Frölich等[11]用不同方法建立了一种多效应宏观模型来模拟旋转轴封在不同温度状态下的磨损量以及接触压力。康帅等[12]建立了唇形密封的二维轴对称模型，并利用有限元方法分析了收紧弹簧劲度系数、过盈量等参数对唇口接触宽度以及接触压力的影响。Salant等[13]对于唇形密封的研究进行了综述，并阐明了唇形密封接触的物理行为。张付英等[14]利用Abaqus软件对唇形密封优化前后瞬态温度场进行了分析，得到了优化前后在不同油压转速下与温度变化的曲线关系，温
度场变化均满足要求。施雷等[15]提出了一种带有副唇的唇形密封来消除唇形密封在装配及加工制造过程中存在误差的情况，并利用有限元方法分析了接触应力。江华生等[16]利用不同方法对唇形密封静态接触特性、密封性能以及轴表面结构开展了研究，并取得了一定成绩。闫传祥等[17]提出了一种唇形密封性能的解析模型，可以给唇形密封的工程设计提供参考。陈建垒等[18]利用Abaqus软件对唇口接触压力进行了计算，并对2种不同参数的唇形密封进行了有限元分析，并说明了优化后的性能。桑建斌等[19]利用有限元分析工具建立了唇形密封的二维轴对称模型，并分析了过盈量与唇形密封的应力分布情况。吴庄俊等[20]利用理论推导分析了唇形密封结构参数与唇形密封性能的关系。陈敏等[21]对于唇形密封应力应变进行了有限元分析。谭晶等[22]、孟理华等[23]利用有限元方法对T形密封进行了优化设计。李建国等[24]对于唇形密封动态密封性能进行了有限元分析，得到的仿真结果与实验结果一致，证明了有限元方法在唇形密封性能仿真领域的可行性。纪佳馨等[25]对于唇形密封温度场及摩擦力矩、泄漏率等关键性能参数进行了流固热耦合仿真模拟研究，对唇形密封性能进行了定量预测与描述。
综上所述，主要是对密封圈的使用环境及寿命进行试验研究，并对唇式密封使用过程动态磨损、结构参数进行仿真与模拟，但没有对模拟实际使用环境下的密封失效因素及相关材料、不同过盈量多层次系统进行分析来研究。本文从模拟实际环境条件下的船用齿轮箱唇形密封使用工况出发，搭建唇形密封模拟实船环境下密封失效影响因素试验台，研究唇形密封失
·100· 装 备 环 境 工 程 2023年11月
效的主要影响因素。利用有限元分析软件建立了旋转唇形密封的二维轴对称模型，对常见的3种不同橡胶本体材料及其不同过盈量下的Von Mises 应力及位移分布、唇口接触线接触压力分布进行了仿真计算，分析其对于唇形密封性能的影响及唇形密封破坏机理，对于实际工程中唇形密封的结构优化设计及安装使用具有指导意义。
1 唇形密封的材料及基本结构
齿轮箱输入端设置有2道密封，外侧唇形密封唇口朝外端，主要作用为防尘封水，靠内侧唇形密封唇口朝内，主要作用为封油。2道密封之间添加有润滑脂润滑唇形密封。某船用齿轮箱输入轴密封结构如图1所示。
图1 某船用齿轮箱输入轴密封 Fig.1 Input shaft seal of a marine gear box
其中某船用唇形密封主要由唇封主体、唇口、金属骨架及紧固弹簧等结构组成，紧固弹簧可将唇口紧贴在轴上，输入轴高速运转时，油封唇口与轴相对运动，通过润滑脂或润滑油在轴上形成的油膜进行润滑，以防止唇形密封唇口与轴的相对干摩擦造成唇形密封破坏，使轴承润滑油外泄。某船用二维轴对称模型及详细尺寸如图2所示，其中尺寸内径×外径×宽度为ϕ200 mm×ϕ470 mm×18 mm ，具体详细尺寸根据GB/T 9877—2008要求确定。
图2 二维轴对称几何模型
Fig.2 Two-dimensional axisymmetric geometric model
主要的工作原理：0.45~0.55 MPa 压力的润滑油，从箱体进油口到旋转部件，至旋转的轴承中流出，大
部分润滑油主要从端盖上的回油槽、轴承座上回油孔直接回到齿轮箱箱体内，小部分润滑油被高速旋转轴带回到箱体，极小部分通过内侧唇式密封储存到2道密封之间，用于润滑唇式密封。达到一定量后，再通过唇式密封往外泄漏出齿轮箱，原则上要求 1 000 h 泄漏量不能超过100 mL ，不能呈线状流出。
唇形密封本体材料采用丁晴橡胶，其材料的邵尔硬度为75 MPa ，属于超弹性非线性材料，具有高度的非线性材料的分析特性。目前，对于超弹性材料的应力应变本构关系一般用应变密度能函数进行描述。其中，两参数及三参数Mooney-Rivlin 本构模型进行简化后可以表述为：
W =C 10(I 1－3)+ C 01(I 2－3)
W =C 10(I 1－3)+ C 01(I 2－3)+ C 11(I 1－3) (I 2－3) 式中：C 10、C 01及C 11为M-R 超弹性系数；W 为应变能密度；I 1、I 2为第1、第2应变不变量。
2 密封失效因素试验
为了研究唇形密封失效影响因素，根据实船唇形密封使用环境，提出影响唇形密封失效的主要因素，主要有密封本体材料、齿轮箱振动、油温、油压、转速、流量、偏心量、安装方式、进行正交试验。按照齿轮箱输入端的结构，搭建了唇形密封试验台，唇形密封试验台的搭建如图3所示。
对各失效因素进行失效参数正交试验，结果见表1。结果表明，除了密封材料及接触行为无法试验确定
第20卷 第11期 杨立强，等：某船用唇形密封失效因素试验及仿真模拟研究 ·101·
图3 唇形密封试验台搭建 Fig.3 Layout of the lip seal test bench
表1 模拟实船环境下唇形密封失效因素试验
Tab.1 Test of failure factors of lower lip seal in simulated real marine environment
工况
油温/℃
油压/MPa
安装方式
偏心量/mm
转速/(r·min ‒1)
失效情况
1 45~55 0.5 整体 0 400~1 050 否
2 45~55 0.5 整体 0 400~1 050 否
3 45~55 0.5 整体 0 400~1 050 否
4 25~3
5 0.2 整体 0.2 400~1 050 否 5 25~35 0.5 整体 0.5 400~1 050 否
6 25~35 0.2 整体 0.2 400~1 050 否
7 45~55 0.5 整体 0.5 400~1 050 否
8 25~35 0.2 剖分 0.2 400~1 050 否
9 25~35 0.5 剖分 0.5 400~1 050 否 10 45~55 0.2 剖分 0.2 400~1 050 否 11 45~55
0.5
剖分 0.5 400~1 050 否
之外，其他正交试验因素均对唇形密封失效无影响。
3 有限元分析
3.1 有限元模型建立
3.1.1 网格划分
首先对某船用齿轮箱输入轴唇式密封进行模型简化，本文利用UG 三维建模软件建立唇形密封三维模型，并将三维模型导入到ANSYS 软件中进行网格划分，如图4所示。使用平面壳单元划分，进行网格无关性检查，确立唇形密封及轴网格数量21 467个，节点为65 308个。 3.1.2 材料设置
轴的材料为42CrMoA ，弹性模量为200 GPa ；泊松比为0.3。唇式密封中橡胶为丁晴橡胶，其参数设置如下。
1）超弹性系数。根据参考文献的数据
[12,26]
，丁晴橡胶材料M-R 超弹性系数为C 10、C 01及C 11。本次
图4 网格划分 Fig 4 Grid division
仿真分析的3种材料的M-R 超弹性系数值见表2。
2）密度。超弹性橡胶密度ρ1=1 400 kg/m 3，金属骨架密度ρ2=7800kg/m 3。 3.2.3 过盈量设计
将唇口与轴接触区域设置过盈配合，单边过盈量
·102· 装 备 环 境 工 程 2023年11月
表2 不同材料参数
Tab.2 Parameters of different materials
材料编号
C 10/MPa
C 01/MPa
C 11/MPa
1号 0.213 0.853 0 2号 0.930 0.465 0 3号 0.944 0.236 0
设计为6档，分别为0.2、0.4、0.6、0.8、1、1.2 mm
进行计算。
3.2.4 边界条件设置
油封外侧面设置固定约束，弹簧预紧力转化成均匀分布压力，忽略滑油压力对其影响，内骨架与唇形密封内侧进行无滑移边界接触。根据相关公式，将施加在弹簧槽内接触面上的收紧简化为均布压力，为0.15 MPa 。唇尖与轴接触通过接触对来实现唇尖与旋转轴的相互接触时的相切，设定刚性体旋转轴为目标面，非线性橡胶材料为接触面，保证了非线性柔性体唇形密封与刚性体不能发生渗透。本节设定非线性接触为摩擦接触，摩擦系数设定为0.1，采用法向拉格朗日接触算法来保证唇形密封与旋转轴的接触状态，最后设定可移动位移边界来使得旋转轴进行轴向移动，进而模拟唇形密封与轴接触过程。
3.2 有限元计算结果
唇形密封橡胶本体与金属骨架Von Mises 应力以及唇尖接触压力是表征唇形密封密封性能的主要量，Von Mises 应力越大，会引起密封本体橡胶刚度下降，唇形密封唇尖位置越容易出现微小裂纹，在高频振动下，会引起唇形密封本体疲劳破坏，进而导致失效现象发生。唇形密封接触压力是反应唇形密封静止状态的主要量。根据上述有限元模型，按照相同过盈量不同材料、相同材料不同过盈量分别进行橡胶本体与金属骨架Von Mises 应力分布、唇尖接触压力、位移分布进行了有限元计算，其中接触线位置最大接触压力见表3，密封本体变形结果见表4。
表3 接触线位置最大接触压力对比
Tab.3 Comparison of the maximum contact pressure at the
position of contact line
MPa 过盈量δ/mm 1号
2号
3号
0.2 1.405 1.556 1.416 0.4 1.401 1.559 1.455 0.6 1.394 1.554 1.451
0.8 1.368 1.534 1.424
1 1.359 1.531 1.413
1.2 1.52 1.47 1.51 表4 密封橡胶本体最大变形对比
Tab.4 Maximum deformation comparison of
sealing rubber bodies 过盈量δ/mm 1号
2号
3号
0.2 0.38 0.34 0.36 0.4 0.61 0.57 0.59 0.6 0.84 0.80 0.82 0.8 1.06 1.02 1.05 1 1.28 1.25 1.27 1.2 1.52 1.47 1.51
4 对比分析
4.1 不同材料对唇形密封性能影响
唇形密封橡胶本体材料是影响唇形密封性能的
重要因素。通过Von Mises 应力分布、唇尖沿着参考线的接触应力变化以及唇口位移分布对比，见表5和图5~7。
1）不管任何材料，过盈量超过0.4 mm 时，唇形密封最大应力出现在骨架与橡胶本体接触圆角处，如图5所示。经分析原因是金属骨架圆角处是应力集中的位置，并且橡胶本体的所受的外部挤压力在达到一定值时，容易传递到金属骨架。
2）由表5可知，唇形密封橡胶本体及金属骨架的最大Von Mises 应力为2号材料。说明橡胶超弹性系数对唇形密封的影响较大。
3）唇尖应力沿着参考线先增大后逐渐减小再增大，并呈现非对称分布，2号材料唇尖接触应力值最大，如图6所示。
4）唇尖位移随着参考位置先增大、后逐渐减小，唇尖位移是指唇形密封唇口变形量，如图7所示。材料属性并不会引起接触应力以及唇口位移沿着参考位置分布不均变化，只引起接触应力在接触宽度上的最大值的变化，如图7所示。
表5 不同材料参数结果对比
Tab.5 Comparison of parameters of different materials 材料编号最大Von Mises 应力/MPa 唇口最大Von Mises 应力/MPa 接触线最大接触压力/MPa 1号 1.267 0.806 1.368 9 2号 1.415 0.891 1.534 1 3号
1.316 0.837 1.423 9
4.2 过盈量对唇形密封性能影响
唇形密封在实际安装过程中，不同的过盈量是影响唇形密封性能的重要因素，对比分析如下：
1）随着过盈量不断增加，最大Von Mises 应力
也不断增加。过盈量在0.6 mm 之前，变化相对平稳，
但之后快速上升，如图8所示。
发布评论