螺旋槽旋转密封环润滑状态转变预测

Prediction of Lubrication Condition Transitionfor Spiral Groove Rotary Seal RingsZHAO Yimin HU Jibin rU Wei YUAN Shihua(Science and Technology on Vehicle Transmission Laboratory，Beijing Institute ofTechnology，Beijing 100081)Abstract： For the lubrication condition transition wim speed variety of spiral groove rotary seal ring.a theoretical lubrication modelis established.By applying the finite volume method to numerical discretization，and based on boundary fited coordinatetransformation and mass conservation boun dary conditions，a film lubrication model is obtained.In the mixed lubrication state，theasperity contact properties are described by fractal contact mode1.Mixed and hydrodynamic lubrication are involved in thetheoretical model，by which the variation ofthe frictional coeficient in the whole speed range is acquired and verified by experiment。

separation speed is obtained.and the curve of separation speed chan ges with the 0il pressure of entrance is fit.The curve canefectively judge the speed of the lubrication state change for the spiral groove rotary seal ring。

Key words：Rotary seal ring Mixed lubrication Hydrodynamic lubrication Separation speed0 前言大多数车用变速器都将液压油作为结合装置的动力源。大多数情况下，-个或几个密封环保证液压油从静止部件流入旋转轴。现阶段自动变速器液压油油压已达 2.5 MPa，转速达 7 500 r/min，旋转轴直径达 80 mnl，密封环功率损失达到 l kWJ 。

如何提高变速器的效率，改善密封环工作状态是研究的重点。

GRONITZKI等l 对变速器端面旋转密封进行了深入的理论和试验研究，针对聚合材料密封环的国家自然科学基金资助项N(51175031。51175038)。20121213收到初稿，20130304收到修改稿热塑性及刚度小等问题，通过优化密封环几何尺寸来减小摩擦副功率损失与材料磨损。RUAN等 建立了-个较为全面的机械密封混合润滑分析模型，该模型采用平均流量模型、弹塑性接触模型，并且考虑了接触表面的力变形、热变形、粘温特性等因素。宫然等j 对密封环摩擦状态演变进行了理论与试验研究，提出基于载荷分配概念的密封状态预测模型，获得了摩擦因数受转速、压力以及表面粗糙度影响的关系曲线。

文献[1.3]研究对象均为端面不开槽密封装置，为了满足变速器高 尸 值的需求，在密封环端面开微米级浅槽，以期在高速运行中利用表面浅槽的流体动压效应，使密封环能处于全油膜非接触润滑状态。同时，在车辆启动或停车阶段，流体动压效应78 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 9期封载荷相等。由此，收敛条件为

膜厚修状态下，螺旋槽旋转密封摩擦因数随转速的变化规律如图5所示。

式中， 、瞄～、瞄 分别为第k步， 1步，斛l步最小油膜厚度。△( )为第k步时，密封载荷与总承载力的差，△(瞄) 。耐-F.- ， 为松弛迭代因子。计算流程如图4所示。

图4 计算流程图3 结果与试验以螺旋槽旋转密封为例进行分析，其结构和操作参数：螺旋槽槽数Ng20，螺旋角 40。，ri46.4nln，ro50 111/1，Jizg9.7 1， 0.5， r0.6，pi0.5～2.5 MPa，P。0.1 MPa，转速 n2505 000 r/min。

密封环1材料为铸铁，摩擦对偶2材料是45钢。密封副材料参数：弹性模量 Ell87 GPa，E2125 GPa，泊松比1，1：O-3，v20.3，硬度 2.2 GPa，屈服强度ay500 MPa，抗剪强度 z300 MPa。采用触针式表面形貌测量仪对密封面进行分析，计算得到粗糙表面的分形维数/9-1.628 3，特征尺度系数 G5.697 4×10-，综合粗糙度 o1.52 gm。

按照上述参数进行计算，在入口压力为 2 MPa0 8鹫鹫曩七 6堪4转速 (r/min)(a)摩擦因数变化规律转速n/(r/min)(b)膜厚与粗糙峰接触面积变化规律图 5 润滑特性参数随转速变化规律由图 5可知，随着转速从低到高的过程，最小油膜厚度 。逐渐增大，流体摩擦因数逐渐增大，粗糙峰摩擦因数逐渐减小，总的端面摩擦因数先减小后增大，并在转速 2 500 r/min附近达到最小值。

当转速较低时，密封环平衡状态下油膜厚度也较小，此时流体动压效果不强，载荷主要由粗糙峰接触来承担。因此，此时流体摩擦因数不大，而粗糙峰摩擦因数较大并占主要部分，此时为混合润滑状态。随着转速的升高，最小油膜厚度逐渐增大，粗糙峰接触面积逐渐减小，粗糙峰承载力逐渐减小，粗糙峰摩擦因数逐渐降低：而随着转速的升高流体动压效果越来越明显，油膜承载力逐渐升高，由于油液剪切作用流体摩擦因数逐渐升高；但是粗糙峰摩擦因数下降速度比流体摩擦因数增大的快，所以总的端面摩擦因数逐渐下降。当转速达到 2 500r/min左右时，端面摩擦因数达到最小值，此时摩擦副间的最小油膜厚度远大于粗糙峰高度，粗糙峰接触面积与粗糙峰摩擦因数接近于零，类似于密封摩擦副脱开-定距离，流体动力润滑成为主要润滑状机 械 工 程 学 报 第 49卷第 9期覆盖混合润滑和流体润换两个状态，变化趋势保持- 致，说明了理论数学模型能够有效地反映密封摩擦副的接触规律及变化情况。但是摩擦因数的计算结果普遍低于试验值，其原因主要是在建模时假设密封环不产生偏斜，即油膜厚度是均匀的。然而实际上，从试验结束后对密封环的观测来看，密封环端面外缘处的划痕更明显，这说明密封环在工作过程中并不能保持均匀间隙的状态，在外缘处产生了局部的轻微接触。

4 结论转速 n/(r/min)图 9 摩擦因数随转速变化对比图(1)提出了螺旋槽旋转密封不同润滑状态统-模型的建立方法，给出统-模型数值求解流程。

(2)螺旋槽旋转密封润滑状态存在从混合润滑到流体动力润滑的转变。特定工作压力下，摩擦因数随转速先减畜增大。

(3)在特定结构参数螺旋槽旋转密封工作过程中，最小摩擦因数工况转速由工作压力决定，且该转速随工作压力的提高而增大。