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摘要：本文主要针对近年来经常出现的唇形密封圈漏油问题，研究了唇形密封圈的重要密封机理——泵吸效应。为衡量泵吸效应大小引入泵吸率计算公式，计算了泵吸率，分析了油膜厚度、接触载荷、接触宽度、唇形密封圈唇角、轴的转速以及转轴偏心量对泵吸率的影响趋势。基于对泵吸率影响因素的研究与分析，以各因素对泵吸率影响趋势为指导对唇形密封圈进行设计改进，以提高其密封性能。
关键词：唇形密封圈；泵吸效应；设计改进；
1 绪论
在航空发动机附件传动中，唇形密封圈经常用于传动轴或轴端的密封，将滑油与外界大气环境隔开。它具有结构简单，占用空间少，维护和更换方便，成本低的优点[1]。唇形密封圈之所以在油侧的静压力下不会泄漏，是由于它的泵吸效应，这种泵吸作用会随着轴转速的增加而增强[2]。泵吸效应是唇形密封圈密封机制的一个重要理论，研究泵吸效应的产生及影响泵吸效应的因素有助于我们了解唇形密封圈的工作机制，从而指导实际生产的唇形密封圈改进设计工作。
2.唇形密封圈的泵吸效应研究
唇形密封圈唇口的纹理及其产生泵吸效应的功能是唇式密封圈具有密封功能的主要原因。
2.1 泵吸效应的基本理论
唇形密封圈过盈地安装在旋转轴上，并用一个弹簧将唇形密封圈唇紧压在轴上，如图2.1所示。唇形密封圈两侧唇角不同，空气侧唇角小于油测唇角，才可能保证油不泄漏，这是因为有泵吸效应。
唇形密封圈的泵吸率可表示为[2]
（2-1）
式中：
D—轴的直径；
h—油膜厚度；
F—接触载荷；
α—油侧唇角；
β—空气侧唇角；
η—运动粘度；
b—唇接触宽度。
2.2 泵吸率的计算及影响因素分析
以轴径28.58 mm的输出轴为例，飞马Ⅱ号滑油来对泵吸率进行计算和影响因素分析。
2.2.1 油膜厚度和接触载荷对泵吸率的影响
取F=0.05～0.2N/mm，b=0.1mm，α=45°，β=30°，油膜厚度h在0.1μm～10μm间变化时的泵吸率变化情况如图2.2所示。
由图2.2可知，在其他条件不变的情况下，油膜厚度增加，泵吸率显著增加。油膜厚度的影响由以下几个因素组成：
a 过盈量越小则油膜厚度越大，但过盈量过小则补偿偏心的能力较差，容易泄漏。
b 转轴的表面粗糙度取值要合理，若轴径超精度加工达到镜面时，则油膜厚度难以形成。
c 减小接触载荷可以增大油膜厚度，但太小的接触载荷，导致油膜厚度过大，自然泄漏量变大，会使唇形密封圈失去密封作用。
d 增加轴的转速也可使油膜厚度变大，虽然泵吸率会相应增加，但自然泄漏也会相应增加，泄漏到空气侧的大量油可能会在泵吸回油之前，由于轴旋转引起的离心作用，被甩离唇形密封圈唇口附近从而导致泄漏。
由图2.2可知，随着接触载荷的增加，泵吸率相应增加，但接触载荷过大，会导致过小的油膜厚度，甚至可能破坏油膜，失去其润滑性。
2.2.2 接触宽度对泵吸率的影响
取F=0.05～0.20N/mm，h=0.5μm，α=45°，β=30°，接触宽度b在0.1mm～1.0mm间变化时的泵吸率变化情况如图2.3所示。
由图2.3可知，当接触宽度较小的时候，其变化对泵吸率的影响较大；当接触宽度较大时，其变化对泵吸率的影响减小。接触宽度的大小与过盈量、接触载荷的大小有关。
2.2.3 唇形密封圈唇角对泵吸率的影响
取F=0.1N/mm，b=0.5mm，h=0.5μm，唇角α在40°～60°、β在20°～40°间变化时的泵吸率变化情况如图2.4所示。
由图2.4可知，在其他条件不变的情况下，当α>β，空气侧唇角一定时，油侧唇角的增加，泵吸率增加；油侧唇角一定時，空气侧唇角增大，泵吸率减小。
2.2.4 轴的转速对泵吸效应的影响
泵吸率与轴的转速有关，而推导的泵吸率方程并没有直接体现出来，事实上转速影响暗含于参数h当中。油膜厚度h随转速的增加而增加，从而使泵吸率增加[2]。但在一定的接触压力下，相对运动的速度愈高，摩擦力越大，引起的温升也越高，越容易造成唇形密封圈橡胶老化和唇边烧伤。
2.2.5 转轴偏心量的影响
转轴偏心量也会影响泵吸率的大小。主要是偏心量增大时，唇形密封圈与轴偏转的随动能力下降，不能形成稳定厚度的油膜，从而降低泵吸率。
综上所述，决定泵吸率的各个参数F、b、h、α、β之间本身就相互关联，同时还与转速、转轴偏心量相关，在实际设计中，应利用各个参数对泵吸率的影响趋势，并结合密封试验来合理制定各个参数。
3.唇形密封圈的设计改进
基于对泵吸率影响因素的研究与分析，对唇形密封圈进行设计改进。
3.1 唇形密封圈首次设计改进
长时间工作后，唇形密封圈唇口会出现老化现象，是唇形密封圈与轴摩擦生热较大造成。在原材料上增加了石墨的成份，降低了摩擦系数，减小了摩擦力。新材料虽然可以改善摩擦生热，但新材料回弹性较差，不利于形成稳定的油膜厚度，对密封不利。为弥补这一缺点，保证有效的泵吸效应，增大唇口直径，从而可以增加油膜厚度、减小接触宽度，提高泵吸率。
第一次改进后的唇形密封圈虽然在厂家的试验器上密封性能良好，但在首次整机试车时却出现漏油现象。
3.2 唇形密封圈的第二次设计改进
由于首次改进后的唇形密封圈试验中密封性能达不到要求，出现泄漏，经分析认为是唇口与轴的过盈量过小且转轴的偏心量较大所致。 为改善密封性能，减小唇口直径，使过盈量增大。为减小转轴的偏心量，增加唇口对外径的同轴度要求。
經第二次改进后的唇形密封圈，虽然改进后的唇形密封圈使得漏油量明显减少，密封性能得到了提高，但由于没有回油装置，需进一步设计改进。
3.3 唇形密封圈的第三次设计改进
为完善唇形密封圈设计，彻底解决漏油问题，计算其摩擦线速度为17.95m/s。对于摩擦线速度大于12.2m/s小于35.6m/s的工作条件，为增加唇形密封圈的泵吸效果，进行设计结构改进，在其空气侧唇口上增加回流线结构，形成回流型唇形密封圈，把任何泄漏出去的滑油泵吸回去。
3.3.1 回流型唇形密封圈的密封原理
回流型唇形密封圈在断面结构上与普通唇形密封圈相似，其结构设计的重点是唇口工作面上的回流线结构，见图3.1所示。其原理是在唇形密封圈的旋转过程中，利用流体粘性摩擦剪切力特性，使回流线槽在旋转轴高速运转时产生流体动压，强制地使泄漏的润滑油经唇形密封圈唇口回流返回。
3.3.2 回流型唇形密封圈的设计
在唇形密封圈的唇口一侧增加多条平行的螺纹筋条，螺纹筋条的旋向应与轴旋转方向相反。在轴单方向旋转时有回流作用，反方向旋转时则会泄漏。筋条的角度一般取20°～45°，筋条的深度是（0.05～0.1）mm，筋条的距离为（0.5～2）mm。这种回流型唇形密封圈流体流量与螺旋角关系见图3.2，可见20°螺旋角产生最大的泵吸作用。
回流线的参数选择范围如上所述，但具体回流线参数大小对泵吸率的影响，没有具体理论计算验证依据，可以通过对比试验得出最优方案。
3.3.3回流型唇形密封圈的试验验证
到目前为止，第三次改进后的回流型唇形密封圈已装机7台份，试车均无漏油现象，彻底解决了唇形密封圈漏油问题。
4 结论
本文分析了唇形密封圈的泵吸效应。通过研究唇形密封圈的泵吸率公式，计算分析了油膜厚度、接触载荷、接触宽度、唇形密封圈唇角、轴的转速以及转轴偏心量对泵吸率的影响。基于对泵吸率的因素影响分析，提出了唇形密封圈的改进设计方法，并经实际装配与整机试车，验证了设计改进的合理性与可靠性，为解决唇形密封圈长期漏油问题提供参考。
参考文献：
[1]“航空发动机设计手册”总编委会.《航空发动机设计手册》第十三册.航空工业出版社.
[2]苏晓燕.旋转唇形油封泵吸效应及影响因素研究.重庆大学硕士学位论文，2011.
关键词：唇形密封圈；泵吸效应；设计改进；
1 绪论
在航空发动机附件传动中，唇形密封圈经常用于传动轴或轴端的密封，将滑油与外界大气环境隔开。它具有结构简单，占用空间少，维护和更换方便，成本低的优点[1]。唇形密封圈之所以在油侧的静压力下不会泄漏，是由于它的泵吸效应，这种泵吸作用会随着轴转速的增加而增强[2]。泵吸效应是唇形密封圈密封机制的一个重要理论，研究泵吸效应的产生及影响泵吸效应的因素有助于我们了解唇形密封圈的工作机制，从而指导实际生产的唇形密封圈改进设计工作。
2.唇形密封圈的泵吸效应研究
唇形密封圈唇口的纹理及其产生泵吸效应的功能是唇式密封圈具有密封功能的主要原因。
2.1 泵吸效应的基本理论
唇形密封圈过盈地安装在旋转轴上，并用一个弹簧将唇形密封圈唇紧压在轴上，如图2.1所示。唇形密封圈两侧唇角不同，空气侧唇角小于油测唇角，才可能保证油不泄漏，这是因为有泵吸效应。
唇形密封圈的泵吸率可表示为[2]
（2-1）
式中：
D—轴的直径；
h—油膜厚度；
F—接触载荷；
α—油侧唇角；
β—空气侧唇角；
η—运动粘度；
b—唇接触宽度。
2.2 泵吸率的计算及影响因素分析
以轴径28.58 mm的输出轴为例，飞马Ⅱ号滑油来对泵吸率进行计算和影响因素分析。
2.2.1 油膜厚度和接触载荷对泵吸率的影响
取F=0.05～0.2N/mm，b=0.1mm，α=45°，β=30°，油膜厚度h在0.1μm～10μm间变化时的泵吸率变化情况如图2.2所示。
由图2.2可知，在其他条件不变的情况下，油膜厚度增加，泵吸率显著增加。油膜厚度的影响由以下几个因素组成：
a 过盈量越小则油膜厚度越大，但过盈量过小则补偿偏心的能力较差，容易泄漏。
b 转轴的表面粗糙度取值要合理，若轴径超精度加工达到镜面时，则油膜厚度难以形成。
c 减小接触载荷可以增大油膜厚度，但太小的接触载荷，导致油膜厚度过大，自然泄漏量变大，会使唇形密封圈失去密封作用。
d 增加轴的转速也可使油膜厚度变大，虽然泵吸率会相应增加，但自然泄漏也会相应增加，泄漏到空气侧的大量油可能会在泵吸回油之前，由于轴旋转引起的离心作用，被甩离唇形密封圈唇口附近从而导致泄漏。
由图2.2可知，随着接触载荷的增加，泵吸率相应增加，但接触载荷过大，会导致过小的油膜厚度，甚至可能破坏油膜，失去其润滑性。
2.2.2 接触宽度对泵吸率的影响
取F=0.05～0.20N/mm，h=0.5μm，α=45°，β=30°，接触宽度b在0.1mm～1.0mm间变化时的泵吸率变化情况如图2.3所示。
由图2.3可知，当接触宽度较小的时候，其变化对泵吸率的影响较大；当接触宽度较大时，其变化对泵吸率的影响减小。接触宽度的大小与过盈量、接触载荷的大小有关。
2.2.3 唇形密封圈唇角对泵吸率的影响
取F=0.1N/mm，b=0.5mm，h=0.5μm，唇角α在40°～60°、β在20°～40°间变化时的泵吸率变化情况如图2.4所示。
由图2.4可知，在其他条件不变的情况下，当α>β，空气侧唇角一定时，油侧唇角的增加，泵吸率增加；油侧唇角一定時，空气侧唇角增大，泵吸率减小。
2.2.4 轴的转速对泵吸效应的影响
泵吸率与轴的转速有关，而推导的泵吸率方程并没有直接体现出来，事实上转速影响暗含于参数h当中。油膜厚度h随转速的增加而增加，从而使泵吸率增加[2]。但在一定的接触压力下，相对运动的速度愈高，摩擦力越大，引起的温升也越高，越容易造成唇形密封圈橡胶老化和唇边烧伤。
2.2.5 转轴偏心量的影响
转轴偏心量也会影响泵吸率的大小。主要是偏心量增大时，唇形密封圈与轴偏转的随动能力下降，不能形成稳定厚度的油膜，从而降低泵吸率。
综上所述，决定泵吸率的各个参数F、b、h、α、β之间本身就相互关联，同时还与转速、转轴偏心量相关，在实际设计中，应利用各个参数对泵吸率的影响趋势，并结合密封试验来合理制定各个参数。
3.唇形密封圈的设计改进
基于对泵吸率影响因素的研究与分析，对唇形密封圈进行设计改进。
3.1 唇形密封圈首次设计改进
长时间工作后，唇形密封圈唇口会出现老化现象，是唇形密封圈与轴摩擦生热较大造成。在原材料上增加了石墨的成份，降低了摩擦系数，减小了摩擦力。新材料虽然可以改善摩擦生热，但新材料回弹性较差，不利于形成稳定的油膜厚度，对密封不利。为弥补这一缺点，保证有效的泵吸效应，增大唇口直径，从而可以增加油膜厚度、减小接触宽度，提高泵吸率。
第一次改进后的唇形密封圈虽然在厂家的试验器上密封性能良好，但在首次整机试车时却出现漏油现象。
3.2 唇形密封圈的第二次设计改进
由于首次改进后的唇形密封圈试验中密封性能达不到要求，出现泄漏，经分析认为是唇口与轴的过盈量过小且转轴的偏心量较大所致。 为改善密封性能，减小唇口直径，使过盈量增大。为减小转轴的偏心量，增加唇口对外径的同轴度要求。
經第二次改进后的唇形密封圈，虽然改进后的唇形密封圈使得漏油量明显减少，密封性能得到了提高，但由于没有回油装置，需进一步设计改进。
3.3 唇形密封圈的第三次设计改进
为完善唇形密封圈设计，彻底解决漏油问题，计算其摩擦线速度为17.95m/s。对于摩擦线速度大于12.2m/s小于35.6m/s的工作条件，为增加唇形密封圈的泵吸效果，进行设计结构改进，在其空气侧唇口上增加回流线结构，形成回流型唇形密封圈，把任何泄漏出去的滑油泵吸回去。
3.3.1 回流型唇形密封圈的密封原理
回流型唇形密封圈在断面结构上与普通唇形密封圈相似，其结构设计的重点是唇口工作面上的回流线结构，见图3.1所示。其原理是在唇形密封圈的旋转过程中，利用流体粘性摩擦剪切力特性，使回流线槽在旋转轴高速运转时产生流体动压，强制地使泄漏的润滑油经唇形密封圈唇口回流返回。
3.3.2 回流型唇形密封圈的设计
在唇形密封圈的唇口一侧增加多条平行的螺纹筋条，螺纹筋条的旋向应与轴旋转方向相反。在轴单方向旋转时有回流作用，反方向旋转时则会泄漏。筋条的角度一般取20°～45°，筋条的深度是（0.05～0.1）mm，筋条的距离为（0.5～2）mm。这种回流型唇形密封圈流体流量与螺旋角关系见图3.2，可见20°螺旋角产生最大的泵吸作用。
回流线的参数选择范围如上所述，但具体回流线参数大小对泵吸率的影响，没有具体理论计算验证依据，可以通过对比试验得出最优方案。
3.3.3回流型唇形密封圈的试验验证
到目前为止，第三次改进后的回流型唇形密封圈已装机7台份，试车均无漏油现象，彻底解决了唇形密封圈漏油问题。
4 结论
本文分析了唇形密封圈的泵吸效应。通过研究唇形密封圈的泵吸率公式，计算分析了油膜厚度、接触载荷、接触宽度、唇形密封圈唇角、轴的转速以及转轴偏心量对泵吸率的影响。基于对泵吸率的因素影响分析，提出了唇形密封圈的改进设计方法，并经实际装配与整机试车，验证了设计改进的合理性与可靠性，为解决唇形密封圈长期漏油问题提供参考。
参考文献：
[1]“航空发动机设计手册”总编委会.《航空发动机设计手册》第十三册.航空工业出版社.
[2]苏晓燕.旋转唇形油封泵吸效应及影响因素研究.重庆大学硕士学位论文，2011.