船舶艉轴机械密封温度场与热变形分析

船舶艉轴机械密封在运转时,密封环端面温度的分布及热变形对密封的泄漏有重要的影响。为了提高机械密封的密封性,采用有限元分析方法,运用整体法和分离法对机械密封的动、静环的温度场、热变形进行分析,研究在不同主轴转速下端面温度的变化情况。分析表明:机械密封端面的最高温度出现在接触区域的中间,并向内、外两侧递减;端面摩擦热与主轴的转速有密切的关系,转速越大,产生热量越多,温度越高;密封环的导热系数也对端面温度也有影响,导热系数越高,端面最高温度会越低;端面热变形量内径处大于外径处。     

螺旋槽机械密封摩擦副界面热力耦合变形分析

基于热力单向耦合理论,对螺旋槽机械密封摩擦副界面的热流体进行Fluent数值模拟,得到密封环的温度场分布规律;将得到的温度场作为边界条件之一导入到密封环端面中进行耦合力变形分析,并研究密封环的转速以及介质压力对动静环最大变形影响。结果表明:动静环的最高温度都出现在液膜和环的接触处,且温度由密封端面开始向两端逐渐降低;密封环的变形量相对于液膜厚度较大,其中静环的变形梯度较动环大,其更容易失效;动静环端面最大变形量随转速和介质压力的升高而增大,在选择工况条件时可适当降低转速和介质压力来减少端面变形量。     

某型船舶艉轴密封装置端面密封失效分析及试验研究

针对某型船舶艉轴密封装置端面密封的失效问题,对磨损失效的碳石墨环的表面附作物进行光谱分析,证明附作物为金属腐蚀产物。采用摩擦磨损试验测试摩擦副碳石墨环的摩擦磨损性能,并与在摩擦副表面加入金属腐蚀粉末后的磨损结果进行比较。结果表明,碳石墨环在正常情况下有较好的耐磨性能,而金属腐蚀粉末进入碳石墨环表面后,碳石墨环摩擦因数增大,磨损量急剧上升,证明艉轴密封装置密封失效是由于壳体内表面金属腐蚀产物进入端面密封引起的。     

考虑粗糙度效应的微孔化机械密封摩擦副接触特性分析

针对机械密封装置在启停阶段或某些特定工况下出现高温以及摩擦磨损严重等问题，探究考虑粗糙度效应的微孔化机械密封端面接触压力及温升的变化规律，以揭示机械密封端面的真实接触状态。基于分形理论建立机械密封静环粗糙表面和动环微孔接触模型，采用数值计算方法，研究微孔对机械密封端面接触压力和温升的影响，以及表面粗糙度对机械密封端面接触面积、接触压力、温升的影响。结果表明：微凸体经过微孔时，微凸体嵌入微孔边缘使得接触压力峰值增大，导致切削发生；摩擦过程中，压力最高点位置因为微凸体的弹塑性变形而不固定，改善了微凸体的受力情况；微孔降低了密封端面的接触面积，从而使得微凸体的接触减少、压力极值点减少，降低了密封端面摩擦副的温度，改善了密封端面的磨损状况；表面粗糙度越小，接触面积越大，接触压力、端面温度更加均匀，表面粗糙度越大，端面磨损风险更加严重。     

基于ANSYS的大型艉轴机械密封环温度场理论研究

船舶艉轴机械密封的摩擦副工作时,会产生大量的热量,引起密封端面温度升高,导致密封面不能正常运行。利用有限元分析软件ANSYS11.0计算不同工况下某大型艉轴机械密封环的温度场,得到密封端面温度的变化规律,并讨论影响温度场的几个重要参数,发现艉轴转速及密封介质压力对端面温度影响明显,密封端面温度靠近内径处温度最高,沿径向及轴向逐渐降低。     

剖分式机械密封传热及耦合变形的数值研究

为研究剖分式机械密封变形规律,建立剖分式机械密封三维传热模型,计算剖分环端面摩擦热、摩擦热分配系数及对流换热系数,研究主轴转速、冲洗量对剖分环温度场、热变形及热-力耦合变形的影响,同时分析箍紧力对剖分环热-力耦合变形的影响。研究结果表明:温度最高点位于密封端面内径侧,且碳石墨剖分静环的密封端面温度比碳化硅动环的高,密封端面和分型面在温度场作用下产生正锥度变形,而箍紧力可以减小密封端面及分型面的变形;剖分动静环的端面和分型面热变形锥度随转速的增大,均呈现增大趋势,端面的耦合变形锥度也随之增大;冲洗量增大,剖分动环端面和分型面热变形锥度减小,端面耦合变形锥度减小,剖分静环变形规律相反;箍紧力增大,剖分动环、静环端面耦合变形锥度增大。     

船舶艉轴机械密封试验装置的设计及密封试验

研制了船舶艉轴机械密封试验装置,该装置由动力和密封两大部分组成,能模拟各种工况下船舶艉轴机械密封的工作状况。以合金与青铜材料为密封摩擦副进行了密封性能试验,测试密封端面温度、摩擦因数、泄漏量等主要性能参数。该密封试验装置可用于探讨机械密封工作机制,筛选机械密封材料,评价密封性能,从而提高机械密封工作寿命和可靠性。     

动态压力下旋转动密封结构有限元分析

利用大型有限元分析软件ABAQUS建立O形密封圈的三维有限元模型,在内轴转速为766r/min、逐步增加水压到2MPa的条件下,分析了动密封结构的Mises应力、接触压力和摩擦面升温幅度的变化情况。结果表明:随着水压的逐步增加,Mises应力逐渐增大,应力集中现象出现在内轴与密封圈的接触区域;接触压力也随着水压的增加而增大,且接触压力大于水压,能起到密封作用;摩擦面的升温幅度也随水压的增加而升高。根据分析结果对磨损面的磨损情况进行了预测,并与试验结果进行了对比,二者所得结果基本一致。     

变工况机械密封热力耦合特性分析

基于已设计的变工况机械密封为研究对象,建立机械密封二维轴对称模型,采用有限元的方法对变工况下接触式机械密封的动环、静止环进行热力耦合计算,分析密封环端面温度以及密封环端面轴向变形随介质压力和转速的变化规律,并进行试验验证结构设计合理性.结果表明:密封环端面的温度和最大温差,随着介质压力和转速的增大而增大;该结构的密封在...     

基于ANSYS的大型船舶艉轴密封变形研究

在合理的假设条件下,利用有限元分析软件Ansys13.0对特定工况下机械密封的力、热变形分别进行了计算,发现热变形在整体变形中占主导地位.通过对比动环与静环接触端面节点的位移曲线,进一步得出依据软硬规则进行材料配对选取的动静环,两者材料热膨胀系数接近时,动环的热变形为整个密封变形的最重要因素,在保证弹簧补偿力的前提下,应重点考虑如何减小动环的热变形.分析了端面宽度、弹簧压力和转速对密封端面热变形的影响,提出在对密封系统进行优化设计时,不能只考虑单个因素对变形的影响,应该综合考虑,为船舶艉轴密封的优化设计提供理论依据.     

柱塞泵配流副滑摩界面摩擦磨损及热力耦合分析

针对轴向柱塞泵配流副滑摩过程中由摩擦温升所引起的摩擦磨损问题,建立配流副轴对称非稳态热传导方程,利用ABAQUS有限元软件进行配流副摩擦磨损及热力耦合特性分析,并利用端面摩擦磨损试验机进行试验验证。结果表明:在滑摩初期,相比于中低压力,高压力工况更易发生磨粒磨损;随着滑摩进行,材料表面粗糙峰被磨平,加之温度上升,材料强度下降,高转速取代高压力成为接触面温度和摩擦系数增大的主要影响因素,此时的磨损机制主要为黏着磨损;在滑摩过程中,外径出现了应力集中现象,且接触压力高于内径;转速及压力对配流副摩擦温升及磨损特性的影响是非线性的,在相同PV值下,转速比压力的影响更为显著。     

双向连通槽热流固耦合热变形研究

针对传统的螺旋槽型不能满足旋转设备反向运转的密封要求的问题,根据双向槽型机械密封结构特点,提出一种双向连通槽型,通过建立热流固耦合模型,确立传热边界条件,采用ANSYS Workbench对几何模型进行单向耦合计算,讨论密封环在转速、压力作用下热变形规律.结果表明:双向连通槽泄漏量整体比螺旋槽型泄漏量小,且双向连通槽由...     

基于流固热多场耦合的高速旋转唇形密封性能研究

针对一种橡胶材料高速旋转唇形密封,结合其自身结构及应用工况,通过方程离散化计算等方法,建立定量分析密封系统密封性能的数值仿真模型。基于所建立的模型对密封实际服役状态下界面流体力学、宏观固体力学、表面粗糙峰微观接触力学、唇口摩擦生热等多物理过程之间的耦合关系进行分析,借助实验验证并完善数值仿真模型的准确性。通过所建立的数值仿真分析模型研究油封唇口接触压力分布、唇口温度、摩擦力矩及泄漏率等衡量密封性能的关键参数随转速的变化规律。结果表明：在高转速条件下考虑摩擦生热时油封径向力减小,接触宽度增加,摩擦力矩减小,说明摩擦热对油封密封性能产生较大影响。     

基于多体动力学的齿轮箱圆锥滚子轴承温度场分析

为研究齿轮箱圆锥滚子轴承在不同实际运行工况下的温度分布,对圆锥滚子轴承进行热分析并建立其有限元模型;采用ADAMS对圆锥滚子进行动力学分析,得到滚子在不同转速下的接触正压力和摩擦力,将结果导入ANSYS进行静力学分析后得到滚子的平均接触应力,在此基础上求得摩擦热流量,进而获得轴承的稳态温度场,并通过试验验证了模型的正确性。结果表明,随着转速的增加,轴承温度不断升高;轴承滚动体与内圈接触时的温度高于与外圈接触时的温度,最大值出现在滚子与轴承内圈的接触处。     

工况参数对机械密封液膜汽化特性及性能的影响

为了研究动压型机械密封液膜汽化特性和密封性能,建立了涉及水的饱和温度与压力的关系、黏温效应以及牛顿流体内摩擦效应的密封间隙液膜汽化计算模型,以螺旋槽机械密封为例分析了工况变化对液膜汽化特性及密封性能的影响规律。研究结果表明：介质温度升高时,存在平均气相体积分数突增的临界温度值,且随转速的增大临界温度值增大;介质压力和转速的增大对汽化有抑制作用,转速增大易使较高的汽化程度迅速降低且在某转速值处出现突变点,介质温度升高使得突变转速值增大;密封性能受工况变化的影响明显,特别是在汽化临界温度值、突变转速值处性能的变化速率迅速增大;液膜汽化首先发生在螺旋槽背风侧堰区,且随介质温度升高快速覆盖槽堰区并向坝区推进;随着转速的增大,润滑膜气相的周向分布更加均匀且高汽化区域会向外径侧移动。     

考虑摩擦副接触应力场和冷却流场的湿式离合器温度场分析

温度对湿式离合器摩擦副的摩擦特性和热失效具有重要影响。为了获取湿式离合器温度场的分布规律,建立摩擦副接触应力分布有限元模型和摩擦片沟槽内冷却流场数值计算模型,获得了摩擦副接触应力随离合器接合油压的变化规律和冷却流场对流换热随离合器转速的变化规律。在此基础上,提出考虑离合器摩擦副接触应力分布时变特性和冷却流场分布时变特性的离合器温度场数值计算模型。将所建温度场模型的仿真结果与试验结果作对比,验证了所建温度场模型的正确性。通过计算获得了湿式离合器接合过程中不同钢片在半径和厚度方向的温度分布规律,揭示了摩擦副接触应力场和摩擦片沟槽内冷却流场对离合器温度场的影响规律。结果表明,在离合器摩擦副半径方向上,摩擦副的温度分布规律与接触应力分布规律相一致。而摩擦片沟槽内冷却流场的对流换热主要影响离合器同步阶段的温度分布。     

湿式摩擦副滑摩过程摩擦热计算

针对湿式离合器摩擦副的结构特点,研究离合器摩擦副表面粗糙接触情况,改进平均流量模型,建立修正的雷诺方程用于计算滑摩过程中油膜压力和油膜厚度的变化规律。采用Greenwood-Tripp接触模型,建立摩擦副摩擦热方程,模拟湿式摩擦副在滑摩过程中油膜厚度、相对滑摩转速、接合油压以及摩擦转矩变化规律,对摩擦副滑摩过程中微凸体和油膜剪切作用产生的摩擦热进行分析,得到它们径向呈线性和抛物线的分布规律,讨论接合油压和相对滑摩转速对微凸体和油膜剪切作用产生摩擦热的影响,并通过钢片的温度场实验对模拟结果加以验证。研究表明:接合油压越大,单位时间内微凸体和油膜剪切作用产生的摩擦热越大,单位时间产生摩擦热峰值的时间越提前;相对转速差越大,微凸体在滑摩过程中单位时间产生的摩擦热越大,油膜则与之相反,且相对转速的变化对单位时间产生摩擦热峰值的时间无影响。     

不同真空度气体对粗糙表面接触摩擦的影响

在大气压作用下,通过对不同真空度下接触物体表面摩擦力的测量,研究气体对粗糙接触物体表面摩擦的影响,该实验采用的摩擦副材料是铝合金/有机玻璃、45钢/有机玻璃。实验结果显示:随着真空度的增大,2种摩擦副的摩擦力近似呈现线性变化,静摩擦因数则先减小而后趋于稳定,再有回增的趋势;45钢/有机玻璃摩擦副静摩擦因数取得最小值所对应的真空度比铝合金/有机玻璃摩擦副的更大。通过分析得出静摩擦因数变化的原因:随着真空度的增大,摩擦副接触间隙间的气体密度减小,当固体刚开始运动时,产生摩擦的气体分子与固体表面的分子减少;随着真空度的增大,正压力增大,材料的变形程度增大。     

新型锥齿轮-滚轮平盘式无级变速器摩擦效率及温度场研究

针对摩擦式无级变速器摩擦生热和温度场的研究，以自行设计的新型锥齿轮-滚轮平盘式无级变速器为例，对传动过程中的滑移率、功率损失和摩擦效率进行理论研究，并用ANSYS软件对滚轮平盘摩擦生热温度场进行仿真分析。结果表明：随着转速的提高滚轮和平盘的温度上升，随着压紧力的增大，摩擦功率损失提高，摩擦效率降低；压紧力的提高，滑动速度会随之增大，产生更多摩擦热，同时也会增大接触面积，摩擦发热的面积更大，因此对温升影响更明显；新型锥齿轮滚轮-平盘式无级变速器具有较高的摩擦效率，其摩擦升温也较小。     

Thermodynamic Differences of Different Friction Pairs in a Multidisc Clutch Caused by Spline Friction: Numerical Simulation and Experimental Verification

Abstract

Considering the spline friction, the dynamic model of a multidisc clutch is established that permits the calculation of the contact pressure and friction torque acting at each friction surface; the thermal model is then developed to investigate the temperature difference between different friction pairs. The corresponding test bench is established, where the effect of inertia on the torque error is analyzed in detail. The simulated and measured results are compared to validate the numerical model and confirm the existence of spline friction. The results indicate that spline friction can lead to the attenuation of contact pressure on friction pairs along the axial direction. Therefore, there exists a significant temperature gradient in the axial direction, and the maximum temperature appears in the second separate plate near the piston. Moreover, the friction torque of a single pair decreases along the axial direction. Thus, as the number of friction pair increases, the total friction torque increases nonlinearly, and the average torque of single friction pair decreases gradually.