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[发动机] 发动机密封性能的虚拟评估方法

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发表于 2015-7-29 20:36:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
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发动机密封性能的虚拟评估方法

发动机密封性能的虚拟评估方法

        密封性能不仅影响发动机运行的可靠性,而且一旦失效会造成严重的后果。本文通过CAE虚拟仿真来评估发动机常用密封元件的分析方法、计算流程与评价指标,并结合工程开发实例,分析影响密封性能的因素以及分析要点。
        由于工作过程中会承受高温、高压,密封系统的设计存在很大挑战,单凭试验手段来评估需要花费较多的时间和成本,而CAE仿真手段可以有效地识别优化方案,缩短设计和试验周期。
        近年来,CAE技术才被应用于评估发动机的密封性能,但并不系统。本文系统总结了发动机开发中的经验,针对密封圈、预成型垫片、密封胶和堵头四类密封结构,探讨并初步汇总如何通过CAE仿真方法,对结构的密封性能进行评估,并提出优化方案指导设计改进。
        密封元件的类型与泄漏机理
        1.密封元件类型
        发动机各子系统工作条件、密封要求大相径庭,因而所采用的密封元件类型也不尽相同。根据密封元件材料和结构的不同,发动机中的密封元件大致可以分为四种:密封圈、预成型垫片、密封胶和堵头。
       

发动机密封性能的虚拟评估方法

发动机密封性能的虚拟评估方法

        2.泄漏机理与评估指标
        按照机理的不同,泄漏分为三种形式:界面泄漏、渗透泄漏和破坏泄漏。
        (1)界面泄漏是由于压紧力不够、接合面表面质量及密封面变形,在外载荷或密封介质压力作用下,密封元件与界面分离,介质通过两者之间的缝隙流出(见图1)。
        (2)渗透泄漏发生在密封件材料内部,由于密封元件材料组织疏松,致密性差,纤维与纤维之间存在无数微小间隙,特别是在压力作用下,介质通过材料内部的孔隙渗透出来。
        (3)破坏泄漏是指密封件由于急剧磨损、变形和材料劣化等因素,使泄漏间隙增大或密封件破坏造成的一种破坏性泄漏(见图2)。
        现代发动机密封设计中很少采用纤维、石墨材料,渗透泄漏已很少发生,因而,密封设计与评估主要关注界面泄漏和破坏泄漏。基于对泄漏机理的了解,分析在各种装配环境、使用工况下,密封元件是否能够建立足够的密封压力,是否具备足够的结构强度;考虑到发动机上很多零件都是铸造件,存在缩孔、疏松,因此为避免界面泄漏,还需考察密封元件与界面的有效接触宽度。密封压力、接触宽度和结构强度是发动机密封性能评估的三大指标。
       

发动机密封性能的虚拟评估方法

发动机密封性能的虚拟评估方法

        密封性能的CAE评估方法
        1.密封圈的密封评估
        橡胶材料的物理特性以及密封圈的特征决定了密封性的评估必须充分考虑超弹性、环境温度和制造公差的影响,分析过程分解为二维分析与三维分析两步(见图3)。
        图4为室温下某种橡胶材料的力学性能测试曲线,根据Ogden理论假设拟合得到CAE分析所需材料参数。图5为某橡胶材料的热膨胀系数曲线,其热膨胀系数比钢材大一个数量级,易导致热变形不协调。根据发动机的工作特点,密封计算中考虑的温度范围是-40 ~150℃。
        公差的影响通过计算极限公差下密封元件的强度与密封压力来评估。为描述方便,我们将密封圈尺寸取上偏差、密封槽尺寸取下偏差的状态称为“MMC”;密封圈尺寸取下偏差、密封槽尺寸取上偏差的状态称为“LMC”;密封圈与密封槽均为名义尺寸的状态称为“NMC”。具体分析中,还需要将LMC、NMC和MMC三种状态与高、中、低三种温度进行组合,考察极限状态下密封压力、密封宽度和最大应变是否满足设计要求。
       

发动机密封性能的虚拟评估方法

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        通过二维分析可初步评估密封圈,但分析中没有考虑被密封元件的变形,因此还需要进行三维分析。三维分析考察被密封元件在外载荷以及热膨胀作用下,结构变形与密封圈耦合作用下的综合密封性能。三维分析中,密封圈不再精确建模,而是用二维计算获得的密封圈刚度特性(见图6)来表征其宏观特性。
        2.金属垫片的密封评估
        金属垫片的失效形式有两种:一是密封压力不足引起界面泄漏,二是垫片突筋疲断裂后引起的破坏泄漏。这两种失效形式对应的密封评价指标分别是线压力分布与突筋跳动量。与密封圈的分析类似,在CAE模型中,垫片突筋用一系列刚度曲线来描述,只是这些曲线来自试验(见图7)。
        通常,金属垫片的应用场合都具有较大的温度波动,被密封零件会产生较大的热变形,影响密封性能。因此,金属垫片的密封评估要充分考虑被密封元件的结构特性。
       

发动机密封性能的虚拟评估方法

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        3.胶密封的密封评估
        胶密封的评估比较特殊,我们在CAE模型中并不建立胶的有限单元模型,而是通过被密封面的相对变形来判断泄漏的风险。图8为发动机缸体、前盖及油底壳的T形连接处,在温度升高到150℃后的变形情况(放大200倍)。由于结构刚度不均匀、材质热胀冷缩的差异及螺栓预紧力的作用等因素,前盖与缸体连接面分离,有可能导致机油的泄漏。将密封面分离的位移与密封胶涂层可提供的补偿量做比较,当分离量超过补偿量时即认为存在泄漏风险。
        4.堵头的密封评估
        堵头的材质通常为钢材,温度对其机械性能与热膨胀系数的影响不大,一般无需评估温度对密封性能的影响,但是由于刚度大,装配应力对过盈量敏感,因此在评估密封性的同时,还要分析安装强度。图9为堵头装配过程中安装孔端部开裂,其分析为:堵头尺寸取下偏差评估密封性能;堵头尺寸取上偏差评估结构强度。
       

发动机密封性能的虚拟评估方法

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        密封性能评估实例
        液压张紧器中密封圈的失效将引起机油泄露,并导致发动机异响。本文以某发动机为例,分析张紧器密封圈失效的原因。
        首先根据液压张紧器机构的工作原理和O形圈失效形式,确定分析流程。
        张紧器副高压腔中的润滑油可以通过壳体与密封槽之间的间隙从副高压腔进入密封圈(O形圈)的左侧。在工作过程中,柱塞会沿轴线方向往复运动,这种往复运动会使密封槽与壳体之间的间隙时刻发生变化。O形圈在工作过程中受到装配时的过盈载荷、工作过程中左侧的油压载荷及温度载荷的作用。
       

发动机密封性能的虚拟评估方法

发动机密封性能的虚拟评估方法

        计算工况的设置为:
        (1)过盈装配 O形圈与密封槽和壳体间通过过盈配合来实现连接;
        (2)油压载荷 O形圈左侧充满高压液体,因此O形圈受到垂直于其表面的流体压力,该值可以通过试验直接或间接测得;
        (3)温度载荷 由于O形圈左侧油压在工作时的温度为120℃,而O形圈的装配温度为常温,因此在工作过程中,O形圈首先会经历一个升温过程,温度升高会改变橡胶材料的材料性能,需要考虑高温的情况。
        由于O形圈的压缩率、密封槽间隙和密封槽倒角形式等均是变量,取一系列工况进行计算以后,以O形圈的最大平面应变为判据,发现O形圈的最大应变值均出现在密封槽倒角处,且几乎所有工况下数值小于高温下橡胶材料的应变极限(油温为120℃),这说明O形圈不会发生强度破坏。而有一部分工况下O形圈的最大应变大于材料在高温下的疲劳极限,说明O形圈有发生疲劳破坏的可能(见图10)。
        接下来,需要对三个因素的影响进行一一考量,并以提高O形圈极限油压承载能力为目标,指出改进的方向。
        我们将各模型在各间隙下所能承载的极限油压的大小进行统计(见图11),可以看出:
        (1)在相同间隙下,圆角的承压能力大于斜角;
        (2)从两斜角的曲线可以看出,斜角越小,在相同间隙下,能承载的极限油压越大;
        (3)直角的曲线更陡,说明直角密封槽下O形圈的承压能力对间隙更加敏感,随着间隙增大,承压能力减小显著。
        此外,由于在安装时,直角密封槽有割伤O形圈的风险,因此,相对目前的斜角形式,圆角将更理想,因此,将斜角改为圆角是另一有效方法。
        综上分析,通过考察O形圈压缩率、密封槽间隙及密封槽倒角形式对O形圈承载油压能力的影响,我们辨明了影响O形圈承载能力的因素,并找到相应的改进方法:减小密封槽间隙或控制倒角形式为圆角。在分析后期,我们通过试验验证了改进建议的有效性,实验证明:将密封槽间隙减小或将倒角改为圆角(所有失效件的倒角都不是圆角)这两种方法中的任意一种方法的实施,都足以达到安全目标。
        结束语
        根据影响因素复杂程度的不同,密封系统CAE评估开始的时间不尽相同。O形圈与堵头的密封性能的主要靠密封元件本身的设计来保证,因此可在发动机开发的中期开始着手分析;金属垫片与涂胶的密封性能影响因素多,有时仅依靠密封元件本身的设计更改无法达到密封要求,因此在项目开发的初期就应着手分析。
        密封性能关乎发动机运行的可靠性与安全性,在发动机设计开发过程中需要对密封性能进行设计评估,CAE技术是行之有效的手段。影响密封性能的因素众多,包括配合公差、刚度分布、螺栓载荷、温度变化及材料特性等等,CAE仿真模型需要系统考虑各种极端工况,并配合二维与三维相结合的分析手段,实现快速、准确的设计评估。
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