机械密封环温度场的有限元分析与试验研究

推导了用于机械密封环温度场计算的有限元方程，并编制了相应的计算软件。通过试验和计算研究了转速和密封面宽度对密封环端面温度的影响。通过分析发现，转速和密封面宽度都是影响端面温升的重要因素，采用窄的密封面，可以明显地降低端面温升。     

深槽端面机械密封热流体动压特性的近似计算

建立了一个以过热水为工作介质、以平行端面为密封面的物理模型,给出了流体动压机械密封的端面密封面流量、端面温升、端面承载能力、端面摩擦功耗和膜压系数等性能参数的计算方法．通过验证,表明这种方法是可靠、合理的,可为进行类似条件下的密封研究提供一种参考。     

干气密封环磨合过程摩擦振动信号混沌特性分析

磨合对防止干气密封环端面发生咬合、延长密封环使用寿命等具有一定影响，因而研究干气密封环在磨合过程中的变化特征，识别磨合状态有着重要意义。本文利用集合经验模态分解法（EEMD）提取端面间的摩擦振动信号。通过相空间重构，得到了摩擦振动信号的相轨迹和混沌参数。利用主分量分析法（PCA）和最大Lyapunov指数判别法，验证摩擦振动信号时间序列的混沌特性。并探究了吸引子结构演化轨迹以及其特征参数关联维数的变化规律。结果表明，当转速为500r/min、载荷为150N和450N时，磨合到稳定的过程中，各个摩擦振动信号时间序列的最大Lyapunov指数全部大于零、主成分分量谱图基本呈一条斜率为负的直线，摩擦振动信号具有混沌特征。而当密封环间的磨损状态由跑合阶段到稳定阶段变化时，其对应的摩擦振动吸引子变化趋势为更加“收敛-稳定”；混沌特征参数关联维数D的值皆随着磨合过程的进行由小变大，当摩擦进行到正常磨损阶段后D值都保持在较小范围浮动，达到平稳。因此，混沌吸引子以及关联维数D皆可反映密封环端面间的磨合过程，可用于干气密封环端面间磨合状态监测和识别。     

焊接金属波纹管机械密封端面径向振动特性研究

焊接金属波纹管机械密封是轴类密封的重要类型之一,而密封端面振动特性是泄漏量和端面磨损的关键影响因素。由于目前针对焊接金属波纹管机械密封端面振动位移相关理论研究较少且没有具体分析各工作参数对端面振动的影响。首先,作者建立了端面密封环的几何模型和极坐标下端面所受表面压力以及分布力矩的数学模型;采用圆环理论和数值分析方法,推导出受谐波形式载荷条件下端面振动位移的求解公式。然后,利用MATLAB求解出密封端面在不同工况条件下轴向振动和径向振动位移特解。发现在相同的工况条件下径向振动位移均大于轴向振动位移。最后,设计了径向振动试验,利用电涡流传感器测量密封端面径向振动位移,分别探究了介质压力、工作转速、载荷系数和压缩量对径向振动位移的影响。结果表明：工作转速和压缩量对径向振动位移影响较大,介质压力和载荷系数对径向振动位移影响趋势相同。径向振动位移随着转速的增大而急剧增大;随着压缩量的增加先缓慢增大后迅速增大;随着介质压力的升高、载荷系数的增大,径向振动位移先减小后增大。对比理论计算和试验结果,验证了密封端面振动位移数学模型的正确性。优选出合理的工作参数范围为：介质压力为0.4～1.4 MPa,工作转速为1 500～2 500 r/min,载荷系数K为0.60～0.75,压缩量为4～6 mm。     

表面织构底部构形对液体润滑机械密封性能的影响

表面织构负压区“空化”行为严重影响织构化密封端面整体密封性能。采用激光加工技术在碳化硅密封环端面制备出平底、左倾斜、右倾斜等3种底部形状的正方形凹坑织构,通过自主搭建的高速密封试验机开展试验,研究不同转速和轴向载荷条件下底部构形对端面摩擦系数、泄漏量及温度等密封性能参数的影响;利用Fluent17.0软件模拟分析3种底部构形截面的压力和流线分布。结果表明：随转速及轴向载荷的增大,底部左倾斜织构能显著减小端面摩擦系数和抑制泄漏,降低密封端面热量,有效改善机械密封性能;轴向载荷为110～140 N,转速在7 000 r/min时,底面左倾斜织构可获得最佳的综合密封性能;底部左倾斜织构入口处的负压区面积显著减小,流体介质的“空化”行为得到有效抑制,织构区域内流线复杂而紊乱,回流更强烈,流体微动压效应更明显。     

水润滑螺旋槽端面密封的理论及试验研究

螺旋槽端面密封是液体火箭发动机涡轮泵用轴端密封的首选;考虑粘温、流体泄漏及热传导,建立了适合于内外双槽中间密封坝结构端面密封的理论分析模型,发展了螺旋槽密封膜厚控制方程和合适的边界条件;以此研究了密封特性参数(端面开启力、液膜刚度、摩擦力矩等)受不同运行参数(工作转速、压差等)和结构参数(槽深等)的影响规律.以水为密封介质,试验研究了处在不同压差和转速条件两类不同槽深的双螺旋槽端面密封的性能.理论和试验研究表明密封端面温升和摩擦力矩随转速和密封压差的增加而增加,槽深对温升和端面摩擦力矩影响不大;试验研究结果很好地验证了理论模型的正确性,为液体火箭发动机涡轮泵轴端密封的设计提供了理论和试验基础.     

干气密封两种典型螺旋角与DLC薄膜的摩擦性能

低转速和高压力的操作工况对干气密封端面磨损情况十分严重,因此提出静环制备类金刚石(DLC)薄膜,结合槽型结构,分析其动静环端面的摩擦特性。利用摩擦磨损实验机对不同螺旋角下的干气密封进行实验,测试端面温升、摩擦系数及表面磨损形貌的变化规律。实验结果表明,随着载荷和转速的增加,16°螺旋角的摩擦温升、摩擦系数、磨痕均小于18°。在同一工况下18°螺旋角平均摩擦系数比16°大0.02,平均摩擦温升高5℃。一方面由于螺旋角的不同引起界面法向力大小不同,使18°螺旋角的端面磨损程度大于16°。另一方面随着载荷和转速的增大,DLC薄膜石墨化程度加剧,提高润滑性;说明DLC薄膜和螺旋槽对端面摩擦磨损起到了关键作用。另外,端面内圈的磨损程度大于外圈,可以推断螺旋槽能减缓端面的磨损。实验结果为今后螺旋槽干气密封优化设计和工程实际应用奠定了一定基础。     

工况自适应机械密封端面结构设计与试验

机械密封在工况易变的装置或工况调节过程中 ,极易发生摩擦副整体位移或端面分离的失效现象。就密封结构进行分析 ,如果作用在摩擦副上的大气压力与弹簧力方向相反 ,并且存在大气压力大于弹簧力时 ,就可能推开摩擦副的浮动环或推动摩擦副整体位移 ;摩擦副的密封面设计有宽度 ,液体在泄漏方向上有压力差 ,温度升高 ,造成液膜汽化 ,密封面间出现汽液混相或全汽相 ,膜压增大推开密封面。为防止密封面整体分离和位移提出了波纹管机械密封的设计结构 ,给出了密封面刃边形的设计方法     

垫条宽度对混凝土劈拉试验破坏形态的影响

通过有限元计算和试验,探讨了垫条宽度对混凝土劈裂抗拉试验的影响.结果表明:当垫条宽度与立方体试件边长的比值k在0.167～0.600时,有效缓解了加载部位的应力集中,能保证立方体试件在端面中心处起裂.     

基于分形理论的机械密封干摩擦时端面接触特性的研究

针对碳石墨与碳化钨配对机械密封在干摩擦时端面的接触特性进行研究,在考虑动、静环材料属性,端面微凸体之间的相互作用,摩擦运动方向以及摩擦热流的基础上,建立了三维粗糙实体与理想光滑刚体的转动摩擦热-力耦合模型,采用ABAQUS有限元分析软件对其瞬时干摩擦过程进行数值模拟。研究结果表明：粗糙端面的真实接触面积随外载荷的增大近似线性增加;随着外载荷与滑动速度的增加,粗糙端面最大接触压力保持在415～432MPa范围内,表现出“自限性”;粗糙端面温度分布不均匀,外载荷与速度增加会导致端面整体温度增加。端面最高温度的位置受到局部接触压力和局部滑动速度以及局部热传递的共同影响;API682标准中提出抑制机械密封的介质压力≤0.07MPa是有必要的,可以防止干摩擦时密封环温升过高。本研究可对探索机械密封摩擦端面热损伤、摩擦磨损研究以及机械密封设计提供借鉴。     

Thermoelastohydrodynamic behaviour of inclined-ellipse dimpled gas face seals

The thermoelastohydrodynamic performance of an inclined-ellipse dimpled gas face seal is analyzed. The pressure distributions of the gas film and temperature fields of the seal rings and gas film are presented considering thermal and elastic distortions.Then, the influences of texturing parameters, including dimple inclination angle and dimple depth, on sealing performance are investigated under different operating parameters such as rotational speeds and seal pressures. The results show that face distortions lead to a decrease in the hydrodynamic effect at high rotational speed. The analysis shows that the opening force can decrease by more than 50% as the rotational speed increases from 0 to 35000 r min~(-1). The influence of face distortion on the seal performance, such as opening force and leakage characteristic, gradually increases with the rotational speed.     

高速动压密封的气液两相性能对比分析和试验

为明确气相介质和液相介质分别对高速流体动压密封性能的影响,进行两种相态的密封性能对比分析与试验研究.分别建立动压密封端面流体域的气相和液相数值分析模型,分析转速、压差、槽深、槽数、槽坝比等操作参数和端面结构参数对动压密封气相和液相的泄漏量、开启力等性能的影响.自主研制动压密封试验装置,进行变转速、变压差和密封端面磨损试验,得出了转速、压差等操作参数对密封气相泄漏率、液相泄漏率和端面磨损率的影响.数值模拟和试验研究结果表明:相同的转速和压力时,液相密封开启力和泄漏量都比气相密封更大;不同结构参数下,气相和液相密封开启力均有极大值,气相密封和液相密封开启力达到极大值的最优结构参数有所不同,液相密封的最优槽坝比、最优槽数较气相密封小,液相密封开启转速较气相密封低,说明液相动压密封比气相动压密封更容易开启;低速时密封端面磨损较严重,高速时密封端面几乎无磨损,动压密封更适合在高速工况下运行.     

迷宫密封结构与动力学参数影响因素

针对迷宫密封-转子系统的特点,建立密封-转子系统动力学模型,分析转速、入口预旋比、密封间隙、压差等重要密封参数对密封动力学特性系数的影响.对三维模型的流体动力学(CFD)进行分析,总结出密封结构和压差对泄漏量的变化规律,并通过与实验的对比分析验证了本方法的正确性.研究结果表明:减小密封入口预旋速度,适当增大密封间隙,可以减小引起不稳定的交叉刚度系数,提高稳定性.齿宽存在一个临界值(1.04 mm),高于这个临界值时,随着齿宽变大泄漏量变大;低于这个临界值时,随着齿宽变大泄漏量变小.在相同转速下,随着密封间隙的增大泄漏量增大,压差增大泄漏量增大,腔深增大泄漏量减小.     

干气密封密封环温度场的数值分析

干气密封的密封环温度分布是分析其热变形的基础。本文建立了A型干气密封动、静环和密封间隙流场的三维计算模型,在ANSYS 的Workbench平台采用热–流耦合方法求解动、静环三维稳态热传导方程,得到其温度场。数值模拟结果表明：气膜粘性剪切热是干气密封系统的主要热源;在给定工况、给定密封结构中,83.3%的气膜粘性剪切热通过密封端面传递给动环,只有9.7%传递给静环,剩余7.0%的热量由泄漏介质带走;动环平均温度略高于静环;动、静环端面温度最高,背面温度较低;在端面上温度也不是均匀的,在螺旋槽根部至密封泄漏出口段温度达到最高。研究结果为干气密封动、静环变形研究、选材和结构设计理论的完善提供了一定的参考依据。     

面齿轮啮合轮齿本体温度场影响因素的仿真分析

建立了面齿轮传动本体温度场的热平衡方程,研究了不同几何参数、工况下圆柱齿轮和面齿轮的本体温度场分布。研究结果表明：面齿轮传动达到本体温度场时,面齿轮的本体温度高于圆柱齿轮,且本体温度与转速、负载、环境温度和齿面粗糙度呈正相关关系,与齿轮的模数、压力角和齿数呈负相关关系。仿真结果也为面齿轮在乏油润滑状况下的寿命预测提供了初始的齿面节点温度数据。     

Optimization design of main parameters for double spiral grooves face seal

The optimization design of the parameters, such as the groove depth, groove number, ratio of the groove width to the land width, and spiral angle of a new kind of double spiral grooves face seal, which works under the condition of high velocity, high sealing pressure and ultra-low temperature, is presented under the assump-tion of fixed closure force by finite element analysis method. The results show that the stiffness of the maximum film can be obtained when the ratio of the groove width to the land width is 0.5 and the spiral angle is about 75 degrees, when the influence of the groove number on the sealing performance is not obvious.     

齿轮箱迷宫密封仿真试验优化

以高速齿轮箱传动轴轴端的迷宫密封为研究对象,建立迷宫密封模型。采用标准的k-ε湍流模型模拟迷宫密封内流场特性,分析其泄漏量、压力及速度分布情况。利用Fluent中的SIMPLE算法计算能量方程和湍流方程。通过研究齿距、齿顶长度对密封性能的影响,从而确定最优参数,同时研究了入口压力和转速对齿轮箱迷宫密封泄漏量的影响。结果表明：泄漏量随齿距的增大而逐渐变大;随齿顶长度的增大,泄漏量先减小之后基本不变;在不考虑温升条件时,转速对泄漏量几乎没有影响,但随转速的增大,密封性能提高。     

面齿轮啮合齿面瞬态温度场影响因素的仿真分析

根据传热学理论和面齿轮的啮合特性,利用APDL语言进行移动热源的加载,对面齿轮进行瞬态热分析,得到了不同工况下面齿轮齿面不同区域的节点温度数据。研究结果表明：面齿轮传动过程中,提高面齿轮齿面精度、使用动力粘度相对较大的润滑油以及降低齿轮的转速和接触载荷,有助于延长面齿轮的使用寿命。此结论为面齿轮寿命的预测提供了齿面啮合的温度数据。