机械密封端面力变形的解析计算

机械密封在使用过程中，受到介质压力和弹簧力等外部机械力的作用，密封瑞端面将产生变形。提出了应用壳体力矩理论求解密封环端面力变形的解析解的方法，并了相应的计算程序。同时，用实例对解析解和有限元解做了相互验证。     

机械密封环端面热变形的分析与BP网络预测

分析了影响机械密封环端面变形的主要因素,说明了密封环对介质的传热系数及端面热通量的计算方法.对于高速重载机械密封,因密封环端面热通量大,其热变形显著高于力变形.当密封环模型一定时,按正交设计法给出若干端面热通量值作为输入样本,并将有限元法计算得出的端面内径和外径处的相对轴向变形Δz作为输出样本,训练3层BP人工神经网络,对该密封环端面的轴向热变形进行精确预测.正交设计法和人工神经网络方法相结合是密封环端面热通量与热变形之间高度非线性关系分析的有效方法.     

接触式机械密封端面平均温度耦合计算方法

研究接触式机械密封端面平均温度与端面摩擦因数相耦合的计算方法问题。将机械密封环简化为等截面当量筒体,推导出了接触式机械密封端面平均温度的计算式,给出了密封环简化为当量筒体的具体方法;基于分形理论,建立了接触式机械密封端面摩擦因数计算模型。考虑端面平均温度与端面摩擦因数的相互耦合关系,提出了端面平均温度的具体计算方法。通过模拟计算,对B104a-70型机械密封端面平均温度的影响因素进行了分析。结果表明,端面平均温度随着弹簧比压或密封流体压力的增大,线性地增大;随着转速的增大,近似线性地增大,且端面越光滑,线性越好,增大的幅度也越大;随着端面分形维数的增大或特征尺度系数的减小,非线性地增大,当端面较粗糙时,端面平均温度的变化较小;当端面较光滑时,随着端面分形维数的增大或特征尺度系数的减小,端面平均温度迅速增大。     

颗粒介质用机械密封热力耦合变形及摩擦磨损研究

在含有颗粒介质的工作环境中下,硬质材料配对机械密封环的热力耦合变形和摩擦磨损对机械密封的泄漏和使用寿命起着至关重要的作用。考虑动静环和颗粒介质的摩擦,试验测定了摩擦系数,建立了动静环热力耦合的有限元计算模型,研究了WC-Co硬质合金和无压烧结碳化硅（SSiC）陶瓷两种硬质材料密封的温度场和端面变形规律,分析了不同工况下的密封间隙变化规律。试验测试分析了密封环温度、磨损前后的泄漏及表面粗糙度,讨论了端面的磨损机理,验证了计算模型的准确性。结果表明：考虑动环磨粒摩擦热的有限元模型能准确地预测密封的温度和端面变形;耦合作用下动静环端面呈现外径脱离、内径贴合的变形,且变形差异程度随压差和转速的增大而加剧;变形导致端面磨痕分布不均匀,内径磨痕较严重。WC-Co硬质合金配对密封环的端面变形小、泄漏量小,高硬度WC颗粒对Co基体能产生很好的“阴影效应”,具有良好的耐磨粒磨损性能。SSiC陶瓷材料韧性差,易产生片状磨屑,形成过渡型磨粒磨损,材料耐磨性较差,泄漏量增加明显。在磨粒工况下,WC-Co硬质合金机械密封具有泄漏小、耐磨性强的特点。研究结果为颗粒介质中机械密封的材料应用及设计优化提供了参考。     

接触式机械密封端面平均温度耦合计算方法

研究接触式机械密封端面平均温度与端面摩擦因数相耦合的计算方法问题。将机械密封环简化为等截面当量筒体,推导出了接触式机械密封端面平均温度的计算式,给出了密封环简化为当量筒体的具体方法;基于分形理论,建立了接触式机械密封端面摩擦因数计算模型。考虑端面平均温度与端面摩擦因数的相互耦合关系,提出了端面平均温度的具体计算方法。通过模拟计算,对B104a-70型机械密封端面平均温度的影响因素进行了分析。结果表明,端面平均温度随着弹簧比压或密封流体压力的增大,线性地增大;随着转速的增大,近似线性地增大,且端面越光滑,线性越好,增大的幅度也越大;随着端面分形维数的增大或特征尺度系数的减小,非线性地增大,当端面较粗糙时,端面平均温度的变化较小;当端面较光滑时,随着端面分形维数的增大或特征尺度系数的减小,端面平均温度迅速增大。     

密封环支撑边界条件对机械密封端面变形的影响

机械密封的密封环是通过辅助O形圈支撑在轴上或者密封腔内，不同的结构设计会改变密封环支撑边界。针对三种机械密封结构模型，利用ANSYS有限元分析软件，模拟机械密封摩擦副端面的变形，讨论了橡胶O形密封圈不同受力边界条件下机械密封端面变形的规律。研究发现当动环、静环均采用SiC时，在静态（结构分析）时，该三种不同支撑结构的摩擦副端面均形成发散间隙，端面变形受支撑边界接触应力的影响较大；热结构耦合分析发现其动环、静环端面间隙呈收敛间隙运转时，热边界条件影响更大。当动环采用石墨，静环采用SiC时，发现其端面间隙可能为收敛型也可能为发散型，这与支撑边界有关。故密封环支撑边界条件的不同会影响动环端面变形，同时动、静环材料的弹性模量对端面的变形有较大影响，从而会影响密封性能。该研究对机械密封设计有指导意义。     

机械密封温度场计算

采用有限元法计算了机械密封的温度场分布。分析了密封环端面温度随密封压力、主轴转速、材料性质等因素的变化 ,并对摩擦热、搅拌热、冲洗等因素进行了分析计算 ,认为冲洗是降低密封端面温度的一种有效措施     

机械密封环的温度场分析简

石化行业中泵用机械密封的使用非常普遍,而机械密封副端面的温度对密封装置的安全和稳定起着重要的作用。为了模拟实际工况下密封副端面温度场的变化,利用ANSYS13．0建立了密封环的有限冗模型,分别设置了三组不同的端面比压值和宽度值进行温度场的分析,然后对三组数据进行了对比和总结,得出结论：机械密封环端面最高温度随着端面比压的增大而升高,随着端面宽度的减小而降低;该结论对机械密封的安装与选型提供了参考。     

特殊工况机械密封试验研究

对机械密封在机械油不足的工况下进行性能试验研究,对比分析机械密封摩擦副宽度和密封环端面槽型对密封性能的影响。试验结果表明:减小密封端面宽度和改变密封环端面开槽均可以有效降低密封腔温升;端面刻有圆弧深槽的密封能在短时间内满足机械油不足的工况,但不能长时间适用于此工况;端面刻有月牙深槽的密封既能满足正常工况运转要求,又能承受较长时间机械油不足的特殊工况。     

端面变形对液体动压型机械密封液膜瞬态特性的影响

建立动环-液膜-静环动压型机械密封双向流固耦合模型,针对逆流泵送状态,对密封环及液膜流场进行非定常耦合计算,分析了密封环变形和液膜压力的瞬态特性,并通过流固耦合前后流场对比,分析了密封环端面变形对液膜压力脉动的影响。研究结果表明：与未考虑变形时相比,双向流固耦合计算结果更加符合实际;静环端面变形随时间呈周期性变化,且越靠近内径出口处,变形量的波动程度越大;密封环端面变形对外径处压力脉动影响较小,但会明显增强内径处压力脉动,且转速越大,压力脉动增强的程度越大,介质压力在压力较低的工况下对变形后液膜压力脉动程度的影响不明显;密封环端面的变形只影响压力脉动的程度,不改变压力脉动的频率。     

大菱形孔端面密封力变形及密封性能分析

针对等深大菱形孔端面液体润滑机械密封,采用有限差分法求解等温及层流不可压缩二维Reynolds方程,获得液膜压力场。利用商用有限元软件计算密封环三维固体变形,对不同操作工况条件下和不同结构的密封环的力变形、摩擦扭矩、液膜刚度及泄漏率等性能参数进行了计算。结果表明：大菱形孔流体动压型机械密封端面产生周向波度和径向锥度变形;改变工况条件可使密封面形成收敛和发散两种不同的变形,密封性能参数因此产生显著变化;当面积比B=0.65～0.75时,大菱形孔端面密封可获得较好的密封性能;辅助密封圈O形圈位置l对径向锥度变形具有很大影响,l优选值范围为2.4～4.0 mm。     

端面锥形参数对锥-孔组合型机械密封性能的影响

给出新型锥-孔组合型端面密封,考虑液膜压场的变化规律与环受力变形的相互作用关系,构建机械密封3D流、固耦合数学模型,并给出相关的数值计算方法,获得了膜压分布规律及端面变形情况,分析锥面结构参数在各工况下对密封性能的影响规律。结果表明：由菱形孔所引起的动压效应可使端面产生周向和径向波状变形,而静压效应随锥度Ф和锥宽比γ的变化,在端面区域范围内所起作用也发生相应变化;对压强较低和低、中转速设备,应选取Ф=5~6或Ф=2~4的收敛锥面密封,且γ=0.8~1.0。对高压和高速设备,应选用Ф=2~3的收敛锥面密封,且γ=1.0或γ=0.2;通过改变锥面结构可有效改变机械密封的特性参数,实现密封运行中的自动调节,特别适合变工况条件。另外,由于锥面结构的变化所引起平衡系数B和膜厚h的变化,低速时可弥补动压效应较小的缺陷,获得较大开启力,也可在大h下工作,故可降低密封端面对平整度和光洁度的要求。     

高速高压螺旋槽干气密封端面温度的测试分析

由于高工况和端面间隙3~5 μm, 因而对端面温度的测试技术是个难点, 更是研究端面微尺度热流体力学的关键点。采用LabVIEW对端面温度编写测试程序, 选定符合要求的传感器等设备, 确定相应的测试技术, 采取抑制干扰的措施, 对端面温度进行测试, 研究不同工况和启停阶段下端面温度的分布和其原因。试验结果表明:不同压力和转速下, 端面的温度分布:根径大于内径大于外径, 最高温度发生在根径处, 为90.90℃, 说明非接触状态下, 以根部大压降引起的热耗散所产生的温升为主。启停阶段外径温度最高, 说明接触状态下, 以固体壁面间摩擦产热为主。这与先前利用热耗散变形得到的理论结果相吻合, 验证了根径区域为温度最高点。试验结果为今后考虑热耗散下的槽形优化提供了依据。     

接触式机械密封寿命预测方法

依据分形理论,用具有尺寸独立性的分形参数表征包含粗糙度和波度的密封端面形貌及其变化,研究了机械密封端面形貌变化对泄漏通道的影响规律,结合Navier-Stokes方程,建立了基于允许泄漏率的机械密封寿命预测方法。运用这一方法,对工作在柴油泵中的108型机械密封进行了寿命预测。研究发现密封介质压力为0.8 MPa,端面比载荷为1.1 MPa,工作11500 h的108型机械密封,软质环端面形貌D=1.5607,G=2.0298×10^-9 m,理论泄漏率为2.95 cm³•h^-1。此时,其工作时间已超出美国石油学会和美国摩擦学家与润滑工程师学会制定的易挥发物逸出量控制标准下的密封寿命1400 h,处于危险状态。结果表明,正确预测机械密封寿命是十分必要的。机械密封寿命预测方法的建立,为确定维修周期、保证设备安全可靠运行提供了依据。     

冲洗对端面弧形浅槽机械密封变形的影响

利用有限元分析软件ANSYS计算了端面弧形浅槽机械密封在不同冲洗量下的温度场,并在温度场的基础上计算了力热耦合变形。研究表明,冲洗能够有效降低动静环最高温度,并减小密封环温差的差别,冲洗达到一定量时两环温差趋于一致,同时由于温差的减小使得综合耦合变形锥度减小。     

基于质量守恒的LaserFace液体润滑机械密封数值分析

针对传统Reynolds空化边界不能准确预测机械密封泄漏率的问题,采用JFO空化边界条件,建立了基于质量守恒的LaserFace液体润滑机械密封数学模型,采用流线迎风有限单元法求解润滑方程,对比分析了不同操作工况下4种不同端面型槽结构(普通端面、仅含引流槽端面、仅含回流槽端面、激光脸)的密封性能。结果表明:所建立数学模型可准确预测机械密封泄漏率,LaserFace端面在低速时易于打开,高速低压下回流槽具有明显回流泵送作用,LaserFace端面机械密封泄漏率显著低于仅含引流槽端面,摩擦系数小于普通端面,综合性能明显优于其他型槽结构。