旋轉(zhuǎn)唇形油封泵吸效應(yīng)及影響因素分析

　　文章通過旋轉(zhuǎn)唇形油封的宏觀理論模型，推導(dǎo)出泵吸率公式，計算分析了油膜厚度、接觸載荷、接觸寬度、油封唇角、轉(zhuǎn)速和彈簧偏移量等對泵吸效應(yīng)的影響。結(jié)果表明，只有當(dāng)油側(cè)唇角大于空氣側(cè)唇角時才存在泵吸，此時泵吸率隨油側(cè)唇角增加而增強(qiáng)，隨空氣側(cè)唇角增加而減小，隨接觸載荷的增加而增加，隨油膜厚度的增加而顯著增加，隨接觸寬度的增加而減小。轉(zhuǎn)速增加，油膜變厚，泵吸率增加。彈簧安裝位置影響接觸壓力分布，從而影響泵吸率。泵吸率的計算為油封設(shè)計參數(shù)的選取提供了理論依據(jù)。

　　對于旋轉(zhuǎn)唇形油封，目前仍然不完全清楚其工作情況。文獻(xiàn)總結(jié)了3種機(jī)制來解釋它的工作性能：潤滑、密封和泵吸。潤滑機(jī)制指出在密封唇和旋轉(zhuǎn)軸之間存在一個很薄的潤滑油膜，減小了唇和軸之間的摩擦，以保證油封的壽命。密封機(jī)制指出油封的靜態(tài)和動態(tài)密封，保持潤滑油不泄漏。泵吸機(jī)制指出動態(tài)過程中已經(jīng)泄漏的油將被密封從空氣側(cè)泵回到油側(cè)，補(bǔ)償自然泄漏。旋轉(zhuǎn)唇形油封之所以在油側(cè)的靜壓力下不會泄漏，甚至能夠把已經(jīng)泄漏到空氣側(cè)的潤滑油吸回油側(cè)，是由于它的泵吸效應(yīng)，并且這種泵吸作用會隨著軸轉(zhuǎn)速的增加而增強(qiáng)。從前人的實驗研究中可以發(fā)現(xiàn)，油封唇表面的粗糙度對密封性能具有很重要的作用；同時，油封唇接觸面的壓力分布也是影響油封密封性能的一個關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)對旋轉(zhuǎn)唇形油進(jìn)行了有限元分析，發(fā)現(xiàn)泵吸效應(yīng)與粗糙結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，并且泵吸作用會隨著軸轉(zhuǎn)速的增加而增強(qiáng)。文獻(xiàn)總結(jié)了泵吸效應(yīng)的微觀和宏觀理論模型，從而完善了泵吸效應(yīng)的基本理論。

　　在文獻(xiàn)的研究基礎(chǔ)上，本文將根據(jù)泵吸效應(yīng)的宏觀理論模型，分析油封唇接觸面的壓力分布，推導(dǎo)出泵吸率公式，分析油膜厚度、接觸載荷、接觸寬度、油封唇角、轉(zhuǎn)速和彈簧偏移量等對泵吸效應(yīng)的影響，為油封設(shè)計提供依據(jù)。

泵吸效應(yīng)的基本理論模型

　　油封過盈地安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，并用一個彈簧將油封唇緊壓在軸上，如圖1所示。油封兩側(cè)唇角不同，空氣側(cè)唇角小于油測唇角，才可能保證油不泄漏，這是因為有泵吸效應(yīng)。

　　目前有2個主導(dǎo)的理論模型來解釋泵吸效應(yīng)，即微觀上的唇口粗糙非對稱切向變形理論和宏觀的偏心理論。

圖1　旋轉(zhuǎn)軸唇形油封結(jié)構(gòu)

結(jié)論

　　(1)接觸壓力分布是泵吸效應(yīng)的關(guān)鍵，油封產(chǎn)生泵吸效應(yīng)的前提是接觸壓力峰值要靠近油側(cè)，此時油側(cè)壓力梯度大于空氣側(cè)壓力梯度；當(dāng)壓力峰值在接觸區(qū)中心時，兩側(cè)壓力梯度相等，油封不會產(chǎn)生泵吸效應(yīng)；當(dāng)壓力峰值靠近空氣側(cè)時，油側(cè)壓力梯度小于空氣側(cè)壓力梯度，油封一定發(fā)生泄漏。

　　(2)泵吸效應(yīng)隨油側(cè)唇角增大而增強(qiáng)，隨空氣側(cè)唇角減小而增強(qiáng)，隨油膜厚度的增加而顯著增強(qiáng)，隨接觸載荷的增加而增強(qiáng)，隨接觸寬度的增加而減弱。

　　(3)同一油封，如果其他參數(shù)條件相同，增加接觸載荷，油膜厚度減小，接觸寬度增加，泵吸率可能增加，也可能減�。徊煌�材料油封，其彈性模量不同，當(dāng)其他參數(shù)條件相同，同一接觸載荷下油膜厚度和接觸寬度均不同，泵吸率不同。

　　(4)軸轉(zhuǎn)速通過影響油膜厚度而間接影響泵吸效應(yīng)，轉(zhuǎn)速大，油膜厚度大，泵吸效應(yīng)增強(qiáng)。

　　(5)彈簧偏移影響接觸壓力分布從而影響泵吸效應(yīng)，彈簧向油側(cè)偏移增強(qiáng)泵吸效應(yīng)；彈簧中心向空氣側(cè)偏移減弱泵吸效應(yīng)。