滑动轴承密封性能分析

程翰博

（宁波市镇海蛟川书院，浙江宁波，315000）

1 轴承密封概述

起密封作用的零、部件称为密封件或密封装置，简称密封。密封技术是一门结合多个学科应用的综合技术,具体涉及了流体力学、材料力学和弹性力学、摩擦学、化学、物理化学以及热力学等学科，有着高度的集成性。对密封技术进行研究和应用是，当密封介质为流体时，需要对流体的运动学及动力学状况进行分析，研究密封介质在密封区域内的流体流动状况，包括压力分布、速度分布及密度等基本物理参数。密封区域内流体的压力会导致密封系统固体部分的变形从而对密封区域的状况产生影响，这种变形的分布是材料力学及弹性力学所研究的内容。密封区域的非接触形式广泛应用于降低系统磨损的密封系统中，其密封间隙内的力学效应及热场分布等也是密封系统的研究目标和方向。

密封技术被广泛应用于航空航天、核能发电等高新技术领域，以及石油、化工等国民经济各行业。对于航空发动机的密封设计和研究，对于发动机整体的效率和动力尤为关键。航空发动机工作在高温、高压及高相对界面滑速的环境中，在这种恶劣的工况条件下，密封系统的优劣对于其密封系统的泄露量尤为敏感，而系统泄漏量会导致能量的耗散，同时密封系统与转子间的磨损及热场分布也对其整体性能有着较大的影响。

密封技术虽然不是尖端的领先性技术, 但往往却是整个机械系统运行的决定性关键技术, 它决定了机器设备运行的安全性、可靠性和耐久性，对实现机械的高效率，长寿命有着十分重要的意义。对于一个轴承，在旋转轴和静止的内部腔体之间，往往有液体或者气体存在，因为轴承的转动，必定会使其中的流体泄漏出去，而密封的目的就在于，尽最大可能防止其中的介质泄漏到大气中去。密封分为接触式密封与非接触式密封。其中接触式密封在动静接合面间安放减磨材料以填充及利用其弹性变形来实现减小接合面之间间隙，如毡圈密封等。接触式密封由于挤压与相对滑动，存在磨损与发热，需要注意冷却与润滑。非接触式密封中动静接合面之间有间隙存在，但设法尽可能增大液体介质通过此间隙时的阻力，或使液体介质通过隙缝时产生压力降，使介质难以流出，如开发年代早，使用相当广泛的迷宫密封[1-4]。

优秀的密封部件应具有不易渗透工作介质，对工作介质有良好的适应性和稳定性，有适当的机械强度、硬度，受工作介质影响小、永久变形小、温度适应性好，摩擦系数小、磨损小，磨损后在一定程度上能够自动补偿，工作寿命长等特性。近百年来，前人在密封装置领域有了丰硕的成果，计算机作为一种高效的工具，极大地推动了对密封部件性能的研究与设计。计算机技术目前广泛运用于各种仿真计算领域，利用计算机辅助分析轴承密封性能是当下的主要手段，计算机可以承担大量且繁琐的运算，增加了分析的准确性与速度。

2 密封研究方法

本课题对轴承密封进行仿真分析，利用三维建模软件Solidworks建立密封区域的流体模型，并在有限元分析软件Ansys进行流体仿真分析，研究密封区域内流体流动状况及不同参数下密封泄漏量的大小。

■2.1 密封区域的建模

针对所要仿真的对象外形的建立，使用机械建模软件solidworks。Solidworks 是一款功能强大，应用广泛，操作简单的建模软件，极大的便利了仿真模型的建立，且该软件有一突出的亮点，即可以导出多种格式的文件，可以方便的将其导入至其他软件中进行分析[5]。

在对密封区域进行流体建模时，由于密封间隙内的流体结构具有圆周方向的周期性，为方便计算，可选取特定角度的流体模型进行分析。因此，建模时的流体区域选为角度为2度的扇形区域。在利用solidworks进行建模时，可先在基准平面内绘制流体区域截面的草图，再进行拉伸操作，即可得到流体模型。在参数分析时，若要改变轴承宽度，只需将草图拉伸长度进行改变；若要改变密封区域的厚度，则需要在草图中改变扇形的尺寸。

■2.2 流体区域仿真分析

在软件中完成建模后，将建好的模型导入到流体仿真分析软件Ansys-fluent中，并对模型进行网格划分。FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法,而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法。Ansys-fluent软件中的网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。这样一来，我们只需设置轴承的尺寸参数与工控参数，就可以利用计算机进行求解得出数据[6-8]。

选取密封中的弧度为2°的一小段界面，选择介质为空气，设置输入端以及输出端的平面，设置收敛条件并进行仿真求解。求解方法的核心思想为有限元分析，将所要分析的界面分成若干个区域，设置好轴承宽度，厚度，入口压力参数，初始对每个网格分析仿真，求流体对固体的力，由于流体对固体产生影响，改变了相应的参数，再次进行对流体力的分析。如此递推直到流体力收敛在一定范围内，将所有网格整合（偏微分），形成一个整体的数据。 除数据呈现以外还可以生成云图，更加直观的展现仿真结果。

在仿真分析中，我们需要设计流体模型，由于密封区域流体流动结构相对单一，选用层流模型进行分析，层流模型相对于湍流模型，认为流体中的质点的轨迹是光滑的曲线或者直线，因为本次仿真目标的模型外形较为规则，所以采用层流模型有利于运算效率的提高且计算结果不会有较大误差。在边界设计时，按照实际的工况条件设置进出口的压力大小。由于截取的是密封区域的一部分，需要对模型两侧面进行周期性边界设置，其他默认面设置为wall。对于仿真分析收敛标准的确定，选用系统默认的残差标准即可。仿真结束后，对密封区域的流体压场和速度场分别进行分析，在结果中可输出入口及出口的质量流率，即为密封系统的泄漏量，同时可通过比较进出口流量的大小来判断密封区域是否“确实”收敛。

3 仿真分析

针对轴承密封的仿真分析，首先应确定仿真分析的思路，即对研究对象和研究内容进行明确。仿真分析前确定研究对象的基本参数，进而针对其主要参数进行参数分析，研究各参数变化对密封系统的影响。

■3.1 仿真规划

对于轴承密封系统的仿真分析需要以实际规格的密封圈为例，对于进行仿真后进而进行参数分析和研究。本文以某种尺寸型号的密封圈为基准，设置初始参数分别为：初始入口压力=0.3MPa，内径=50mm 外=50.3 轴承宽=10mm。

介于研究方向为入口压力、气膜厚度、轴承宽度对密封性能的影响，有如下仿真规划。针对入口压力对泄露影响的研究，设立五组在基准参数上仅改变入口压力的仿真组，其中入口压力发变化范围为0.2～0.6MPa，相邻两组参数间隔大小为0.1Mpa；针对气膜厚度对密封性能影响的研究，设立五组仅改变外径的仿真组，其中外径的变化范围为50.1～50.5mm，相邻两组参数间隔大小为0.1mm。

针对轴承宽度对泄漏量影响的研究设立五组在基准参数上仅改变轴承宽度的仿真组，其中轴承发变化范围8-12mm，相邻两组参数间隔大小为1mm。

在进行变量为尺寸参数的仿真中，需要改变模型的尺寸再进行仿真，且需要更新网格的划分。

■3.2 参数分析

根据上述仿真目标设计，分别研究入口压力、气膜厚度及轴承宽度对密封系统泄漏量的影响。

3.2.1 密封泄漏量随着入口压力的变化

当其他工况参数及结构参数不变，密封系统的入口压力由0.2Mpa增长到0.6Mpa，密封泄漏量变化趋势如图1所示。

图1 入口压力对密封泄漏量的影响

当入口压力在0.2MPa～0.5MPa的范围内变化时，入口压力与泄漏量的变化规律如图表所示。根据数据表与图像不难得出，当其他参数不变时，入口压力起初与流体泄露量成正相关关系，且近似成线性关系，但随入口压力增大，曲线变化率逐渐减小，并预计在压力足够大时，曲线变化率将变得很小。

3.2.2 密封泄漏量随厚度的变化

图2 气膜厚度对密封泄漏量的影响

当其他工况参数及结构参数不变，气膜厚度由0.1mm增长到0.5mm时，密封泄漏量变化趋势如图2所示。

泄漏量与厚度在0.1mm～0.5mm范围内的变化规律如上图所示。根据图表可以得出，在其他参数不变的情况下，泄漏量与厚度同样成正相关关系，并且是一条非常接近直线的曲线，可以理解为供流体泄出的通道宽度越大，泄漏量越大。

3.2.3 密封泄漏量随着轴承宽度的变化

当其他工况参数及结构参数不变，轴承宽度8mm增长到12mm时，密封泄漏量变化趋势如图3所示。

图3 轴承宽度对密封泄漏量的影响

泄漏量与轴承宽度在8mm～12mm范围内变化的规律如图3所示，可以看出，在该范围内，其他参数不改变的情况下，随着轴承宽度的增加，泄漏量减少，且减少的量非常的小，甚至可近似认为是一条水平的直线。其原因可能是，供流体泄出的通道距离较长，且通道对流体有微小阻碍作用，导致泄漏量有十分细微的减小。

4 结论

在实际的密封设计时应设法合理的降低轴承的气膜厚度与入口压力，因为这两个条件对减少泄漏量有着至关重要的作用，而对于轴承宽度则没有必要刻意加大，因为轴承宽度对泄露量的影响甚微，加大轴承宽度所需要的经济成本远高于其减少泄漏量的效益。本次仿真通过对改变轴承的尺寸参数以及工控参数，对密封泄漏量影响的分析研究，得到如下结论：

(1)随着入口压力的增大，泄漏量增大，且变化率不断减小；

(2)随着厚度的增大，泄漏量成近乎线性增长的趋势，且相比其他两个变量，气膜厚度对泄漏量带来的影响更为显著；

(3)随着轴承宽度的增加，泄露量有非常缓慢的减小趋势，相比其他两个变量，轴承宽度对泄露量的影响最小。