Page 67 - 《摩擦学学报》2020年第3期

第 3 期 秦自臻, 等: PEEK旋转密封环密封性能仿真和试验研究 333

20
Equivalent film thickness/μm 14
18
*
PEEK specimen Upper plate 16 h f =(9.68+8.74e −0.757p e) μm

10
Oil inlet Oil outlet Lower plate 12
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0
Contact pressure/MPa
(a) Sectional view of the (b) Equivalent film thickness as the function
test device of contact pressure

Fig. 4 Test device for empirical model and the fitting results
图 4 经验模型试验装置和拟合结果

其中：Q为漏率， ∆p表示内外环压差，R 和R 分别表示 表 1 仿真参数
4
5
试样外径和内径，η 表示室温条件下流体黏度. 对试 Table 1 Parameters for simulation
0

验曲线进行拟合，结果如图4(b)所示，得到： Parameters Specification
Inner radius of the seal ring, R 1 /mm 59.6
( ∗ )
h f = 9.68+8.74e −0.757p c μm (4) Outer radius of the shaft, R 2 /mm 62.35
Outer radius of the seal ring, R 3 /mm 62.5
其中 p = p c /1 MPa，表示纲一化的接触压力.
∗
c Thickness of the seal ring, B/mm 2.6
在固体力学模块中的密封面处定义膜厚变量h ， Young’s elastic modulus of PEEK, E 1 /GPa 3.7
f
该变量通过式(4)计算. 然后使用线性拉伸算子，将膜 Young’s elastic modulus of 38CrSi, E 2 /GPa 206
Poisson’s ratio of PEEK 0.2
厚h 映射至薄膜流动模块，求解密封面流体压力p 的
f f Poisson’s ratio of 38CrSi 0.3
分布. 之后再将流体压力p 映射回固体力学模块的密 Oil density at 20 ℃, ρ/(kg/m ) 876
3
f
封面处，这样就将固体力学模块和薄膜流动模块进行 Viscosity index of oil 161
Dynamic viscosity of oil at 65 ℃, η/(Pa·s) 0.031 1
了双向耦合. 可以通过改变薄膜流动模块的角速度
Dynamic viscosity of oil at 30 ℃, η 0 /(Pa·s) 0.123 5
ω和密封介质压力p ，来对不同转速和压力下的密封 Oil temperature in simulation, T/℃ 65
0
环进行模拟. 计算收敛后，通过式(5~6)进行后处理，得
到摩擦转矩M 和漏率Q ，其中，摩擦转矩包含了密封 2 胀圈旋转密封环密封性能试验
l
f
环端面和轴槽端面的接触摩擦以及密封端面流场的
流体剪切，泄漏率包含了密封环端面和外圆面的流体 密封环性能试验在旋转动密封试验台上进行，如
泄漏： 图5所示，它由试验腔体、液压系统、伺服控制系统和
" ( ) 测量系统组成. 胀圈型旋转密封环安装在主轴上的环
ηr ω h ∂p f
" 2
p c rds+ ds (5)
M f = k c k f1 +k f2 槽中，对称布置在腔体进油口两侧，腔体下部有两个
h f 2 ∂θ
S 1 S 1
出油口，位于密封环安装位置的外侧，油液从出口流
I
Q l = v n h f dl (6) 出，通过液压系统进行循环. 电机与腔体之间布置有
outlet
在式(5)中，p 为轴槽端面的接触力，p 为流体膜的 扭矩传感器，用于测试主轴的转矩. 整个轴系由伺服
f
c
压力，r为任意点的径向坐标. k 为油润滑下粗糙接触 电机进行驱动，可以实现3 000 r/min内的无级变速，以
c
[18]
摩擦系数，本文中取0.1 . k 和k 为无量纲系数，表示 及在负载转矩变化条件下的转速恒定. 由于密封面存
f1 f2
[19]
粗糙度、滑动速度和压力梯度对流体剪切力的影响 ， 在相对摩擦，且密封结构紧凑，难以直接测量密封面
本文中根据实际工况分别取0.2和0.8. 在式(6)中，v 为 油温，故在腔体出油口布置热电偶，测量漏油的油温
n
出口边界上的法向流出速度，通过对出口边界进行封 来代替密封面油温.
闭积分得到漏率. 上述仿真步骤涉及的一些参数列于 试验对象为PEEK胀圈型旋转密封环，其装配后
表1中. 的外圆直径为125 mm，径向宽度2.9 mm，轴向厚度2.6 mm.