在旋转设备中，密封是摩擦的主要来源，在某些应用中所产生的摩擦力矩高达总摩擦力矩的 60%。多年来，所有应用和行业的功耗下降一直是全球性趋势，预计这种趋势将在未来持续多年。因此，降低密封摩擦力矩是客户提高系统效率、降低能耗和减少总体碳排放的主要要求之一。

优化密封设计的主要挑战是在尽可能降低摩擦力的同时，确保保持密封能够有效防止润滑剂的泄漏和污染物的侵入。随着二氧化碳排放法规越来越严格，密封解决方案的设计必须能够不断降低运行过程中产生的摩擦水平。

本文主要关注密封系统在使用过程中的摩擦损失。根据《温室气体议定书》，摩擦损失属于间接排放的范围3下游类别，更准确地说属于“已售产品的使用”子类别。

对于大多数 SKF 产品，摩擦功率损失（隶属范围3下游类别）是轴承产品总体二氧化碳排放量的主要来源之一，如本链接所示。

仿真工具的智能组合

准确预测密封摩擦和温度性能需要综合运用先进材料、摩擦学、润滑和散热模型。SKF 密封全球研究和创新团队开发了一个先进的仿真平台——SKF虚拟密封平台(SAMBA) 。 它将 Abaqus有限元分析求解器与 SKF 密封部门专有的分析模型方程相结合，能够预测密封摩擦生热和系统热演化（图1）。

SKF 开发了一种二氧化碳排放估算器，将其与通过 SKF虚拟密封平台获得的摩擦力矩和温度结果相结合，能够展示了如何借助先进的仿真平台实现更环保的密封解决方案。

SKF 虚拟密封平台是一种复杂的多物理场方法

当密封摩擦力矩产生的热量与散发到密封系统周围的热量之间达到平衡时，密封系统中温度的瞬态演变就会趋于稳定。因此，必须同时考虑摩擦生热和热传递，以确保做出切合实际的预测。密封力矩预测涉及的一百多个变量是相互依存的，这使得预测建模变得更加复杂。将 SKF虚拟密封平台建模公式集成到有限元分析包中，可以在仿真的每个时间增量处合并所有相互依存的变量。

所需复杂模型的实现及其与有限元求解器的交互都使用各种非标准数值计算，这需要极高的专长能力。我们开发了一个用户界面，以促进和加速SKF虚拟密封平台的部署和使用。该用户界面的作用是能让用户方便地提供特定的应用参数。

通过用户界面确定所有输入参数后，Python 脚本会修改标准有限元模型，并将所有参数连接到预编译程序，以对分析公式进行编程。这样的操作会在后台自动生成有限元求解器和SKF虚拟密封平台分析建模之间的双向耦合。工程师的下一步工作与通常的流程相似，即通过有限元软件进行仿真，只不过在仿真过程中后台默默地使用了现已升级的半解析求解器。

试验验证

SKF 密封分析模型验证基于全因子试验设计，用来评估不同参数对密封系统摩擦力矩和温度分布的影响（图 2）。SKF虚拟密封平台用于模拟在试验台上进行的试验设计。试验结果与仿真结果之间的比较将显示出足够的预测准确性。本文列出了试验结果和仿真预测结果的一个示例（图 2）。

这些图表还表明，对摩擦力矩和温度演变的预测具有较好的准确性。对于一些客户而言，预测摩擦力矩和温度随时间的变化对于了解其应用中的“磨合”力矩或密封接触达到的最高温度至关重要，因为它们可能导致由于过热老化或润滑油碳化造成的过早失效。不过，此功能很难用于计算运行时间较长的应用设备的二氧化碳排放量。

迈向可持续发展性能

SKF虚拟密封平台预测的摩擦水平可通过 SKF可持续发展工具，即二氧化碳排放估算器，转换为二氧化碳排放水平，以便采用虚拟方法根据实际的可持续发展标准情况选择最佳密封候选方案。然后根据所选地理位置设定的每千瓦时能源的区域二氧化碳排放量，来计算摩擦损失造成的排放量。

这个工具的好处在于能够提供估计值，并且能帮助我们根据产品影响的具体测算方法来进一步提高减排的意识。

从理论到实际应用

为了突出在早期开发阶段进行碳排放虚拟预测的潜力，请参阅以下汽车和铁路行业的两个具体案例。

汽车轮端案例

在第一个案例中，一家汽车制造商要求为SKF轮毂轴承单元设计一种摩擦水平更低的新型盒式密封。其设计目标是，与上一代轮毂轴承单元盒式密封相比，摩擦水平降低20%。

根据SKF虚拟密封平台的仿真结果，预计优化密封润滑脂能将摩擦减少28%：

• · 使用原润滑脂（润滑脂 A）的解决方案为 0.33牛米
• · 使用新型低摩擦润滑脂（润滑脂B）的解决方案为0.24牛米。

该解决方案超出了客户的降低摩擦目标。此外，产品验证试验的结果证实了SKF虚拟密封平台的预测，如图所示（图 3）。

从力矩到二氧化碳排放

通过将力矩结果输入SKF二氧化碳排放估算器，可以估算该新型轮毂轴承单元密封解决方案的性能改进对范围3下游产品排放的影响。用专有的可持续发展工具将密封摩擦能量损失转化为估算的二氧化碳排放量。图中显示了新设计的带有优化润滑脂的轮毂轴承单元盒式密封解决方案与现有汽车轮端应用解决方案之间的比较（图 4）。

与原来的设计相比，新的解决方案可使每辆汽车每年减少2.6公斤的二氧化碳排放。这相当于，仅考虑盒式密封的改进，就能在四个轮端轴承单元方面，每公里合计减少 0.22 克二氧化碳。

铁路轴承应用案例

第二个真实案例来自一家铁路制造商与 SKF 发起的一项新合作伙伴计划，旨在为欧洲一座主要城市的新一代区域列车开发全新的轴承系统。该新型列车轴承单元的目标是比上一代减少30%的摩擦。

正如前面所示的汽车案例，新的列车轴承单元密封设计在 SKF虚拟密封平台的支持下得到改进，预计摩擦水平减少 44%：

• 原解决方案为0.77牛米
• 改进后的解决方案为0.43牛米。

如图 5 所示，产品验证试验的结果再次与SKF虚拟密封平台的模型预测结果相匹配。

该结果仅涉及通过润滑脂选择对盒式密封进行的改进，而不涉及整个单元，因为轴承开发仍在进行中。尽管如此，轴承开发团队现在可以依靠这种卓越的密封性能来实现整个系统摩擦水平减少30%的总体目标。

从摩擦力矩到二氧化碳排放

以类似的方式，用专有的可持续发展工具根据列车轴承单元密封的密封摩擦能量损失估算出二氧化碳排放量。新设计的列车轴承单元密封解决方案与原始解决方案之间的比较结果如图6所示。

与原来的解决方案相比，仅新的密封解决方案就可以使单独区域列车每年减少3.56吨二氧化碳排放。当考虑整个铁路系统时，包括新的密封和轴承解决方案，预计会减少更多的排放。

结论

应对气候变化无庸置疑的紧迫性促使人们更加关注可持续发展。因此，与供应商、制造商和客户等整个价值链中的所有相关方讨论并提高我们产品对环境影响的认识至关重要。

正如温室气体议定书范围3所述，环境可持续发展的定义非常广泛。本文中的案例展示了 SKF采取的众多必要行动之一，即在保持竞争力的前提下，通过开发二氧化碳排放量较低的产品来减少对地球的影响。

这项工作的一部分涉及创建基于网络的计算工具，例如SKF可持续发展工具：二氧化碳估算器，以及先进的建模平台（如 SKF密封部门的SKF虚拟密封平台）。这些工具用来评估从早期设计到产品选型阶段对环境的影响，从而为更多环保计划铺平道路。