一种内螺旋管道机器人

提出了一种内螺旋管道机器人(简称内螺旋机器人）。设计了该机器人的结构,建立了机器人的动力学方程,数值计算了机器人在管道内运行时管道内壁所受的压力、机器人的轴向推进力和液体对机器人的周向阻力矩。结果表明,当驱动为外磁场驱动时,内螺旋机器人轴向推进力和周向阻力矩都会增大,但对管道壁的损伤也会增大。以机器人轴向推进力和能效指标为优化目标,采用正交优化方法得到一组最优的内螺旋槽几何参数。根据内螺旋机器人的工作原理,设计制造了内螺旋驱动样机,该样机在充满201甲基硅油管道中的运行实验证明了内螺旋机器人的可行性。提出的内螺旋机器人表面光滑,能悬浮运行,对管壁的损伤小,可用于人体内腔的微细管道中。     

液液混合两相流中内螺旋管道机器人运行性能分析

作为一类重要的无创肠道机器人,目前对螺旋管道机器人的研究都是针对单相液体流,但由于各类流质食物的存在,肠道环境为液液多相流状态。采用计算流体力学(CFD)方法数值,计算内螺旋管道机器人在液液混合两相流中的轴向推进力、流体动压承载量、机器人周向阻力矩和管道内壁所受最大压力等运行性能参数。结果表明:往液体环境管道中加入另一均匀分散的高黏度液体时,随着加入液体体积分数的增大,机器人轴向推进力、流体动压承载量、机器人周向阻力矩和管道内壁所受最大压力均随之增大;当加入的高黏度液体分散不均匀时,随着加入液体体积分数的增大,机器人轴向推进力呈波浪状增大,周向阻力矩也随之增大,但基本都小于高黏度液体均匀分散时的情况。     

液固两相流中内螺旋胶囊机器人运行特性研究

目前国内外对肠道机器人的研究都是针对单相液体流环境,而肠液中实际存在食物残渣,肠道环境应为液固两相混合流体。采用计算流体力学方法计算了在液固两相混合流体中,内螺旋胶囊机器人轴向推进力、周向阻力矩和管道内壁所受最大压力等运行性能指标,并进行了实验验证。结果表明:在液固两相流中,机器人轴向推进力和周向阻力矩基本都随着固相颗粒尺寸和质量分数的增大而减小,而管道内壁所受最大压力随之增大;在液固两相流环境中机器人运行性能指标均低于单相液体流环境。实验证明在液体管道环境中,加入固相颗粒将降低内螺旋胶囊机器人运行性能。     

一种新型血管机器人的研究

提出了一种新型血管螺旋式微型机器人。该机器人利用其机体的内外螺旋槽,通过在液体环境中高速旋转实现悬浮式运行。在模拟人体主动脉的脉动流场下,数值计算了螺旋机器人以20mm/s速度运行时的机器人轴向驱动力和血管壁所受压力,并分析了血液参数对机器人轴向驱动力和血管壁所受压力的影响。结果表明：随着血液密度和黏度的增大,机器人轴向驱动力和血管壁所受最大压力都随之增大。实验验证了所提出的机器人可在脉动流环境中做顺向和逆向前进。     

高速螺旋密封临界密封能力的结构敏感参数分析

针对螺旋密封临界密封能力受结构参数影响大,且螺旋密封的各结构参数相互耦合导致密封设计难度大的问题,建立了螺旋密封数值模型,计算了密封的速度场、压力场和临界密封能力,分析了螺旋密封不同结构参数对密封能力影响规律并从对密封能力的影响以及设计制造难易的角度筛选结构敏感参数。通过对试验数据的拟合处理,得到了针对密封偏心情况的临界密封能力修正公式;利用Matlab优化工具箱中的fmincon函数对螺旋密封临界密封能力修正公式进行优化求解。研究得到了齿顶间隙、螺纹齿高、相对槽宽对螺旋密封性能的影响规律并判断螺纹齿高、相对槽宽为螺旋密封结构敏感参数;提出了一种密封结构参数优化方法,该方法优化得到螺旋密封在螺旋角α=18.5°,螺纹齿高h=0.45 mm,相对槽宽K₁=0.5,齿顶间隙s=0.05 mm时螺旋密封具有最优的密封能力与模拟和试验结果相符;研究结果为螺旋密封的工程应用提供了设计基础。     

液体润滑分段螺旋槽端面密封性能分析

为探讨螺旋槽衍生槽型液体润滑端面密封性能,以中间开槽密封为研究对象,建立考虑质量守恒JFO空化边界条件的雷诺方程,采用有限差分法进行数值求解,对螺旋槽、二段槽以及三段槽的性能进行对比分析,探讨结构参数和操作参数对其泵送能力、动压承载能力以及空化情况的影响,计算域中槽区边界处的膜厚值采用调和平均处理。结果表明:在所给参数范围内,3种槽型的泵送率几乎均为正值,即均可实现上游泵送;三段槽的流体膜承载力受转速影响的程度明显小于另2种槽型;相同条件下三段槽更不易诱发空化,其次为二段槽;相比于螺旋槽和二段槽,三段槽受结构参数和操作参数的影响更小,具有更稳定的流体膜承载力及上游泵送性能。     

带螺旋槽和双向微通槽动静压气体轴承静态特性研究

以具有螺旋槽和双向微通槽结构的动静压气体轴承为研究对象,用ANSYS中的Fluent对轴承静态特性进行仿真分析,通过改变螺旋槽和双向微通槽的宽度、深度,研究气膜厚度、主轴转速、偏心率、供气压力等参数对轴承静态特性的影响.结果表明:相对于单向微通槽(轴向微通槽和周向微通槽)结构,采用双向微通槽结构的轴承的承载力和刚度最优...     

螺旋式泵效环结构参数对泵送性能的影响

为研究机械密封用螺旋式泵效环的结构参数对其泵送性能的影响,利用Fluent对不同结构参数的螺旋式泵效环内部流场进行数值模拟,使用模拟得到的泵效环内部流场的压力计算出泵效环的扬程,并获取流量-扬程性能曲线,分析不同结构参数对螺旋式泵效环的流量-扬程关系的影响。结果表明:螺旋槽轴向槽宽、泵效环外径与过渡座内径之间的间隙对泵送性能影响明显,增加螺旋槽轴向槽宽,扬程先增加后减小,增加泵效环外径与过渡座内径之间的间隙,扬程明显减小;泵效环螺纹头数、螺旋槽槽深、螺旋槽螺旋长度对泵送性能也有一定的影响,增加螺纹头数,扬程先增加后减小,增加螺旋槽槽深和螺旋槽螺旋长度,扬程均增加。     

新型肠道机器人螺旋槽优化研究

提出了一种结构简单的新型肠道机器人的驱动机构,并建立了肠道机器人在人体肠道中运行的数学模型.采用有限差分法分析了肠道机器人螺旋槽参数对机器人动压粘液膜承载量、轴向摩擦牵引力和周向摩擦阻力的影响,从而获得了一组相对最优化的螺旋槽参数.     

螺旋槽机械密封瞬态启动过程润滑特性

建立了螺旋槽机械密封瞬态启动过程润滑特性的计算模型,耦合求解了含流量因子、接触因子及质量守恒空化边界的雷诺方程、弹塑性粗糙峰接触方程及动力学方程,比较了不同运行工况及结构参数的润滑状态转变过程。结果表明：增速阶段流体承载力与液膜厚度不断增大,粗糙峰承载力逐渐减小至消失;相比较于流体动压润滑状态,混合摩擦状态的液膜刚度较大且振荡幅值明显,在到达脱开转速时刻有较大的轴向速度突变。受挤压效应影响,较小的启动加速度可以在低转速下进入流体润滑状态,较高的外压和较低的内压均有利于润滑状态的转变。随槽数的增加,脱开转速呈先增大后减小趋势,螺旋角与槽深的减小或槽坝比的增大均对润滑状态转变能力起促进作用。     

螺旋槽端面密封脱开转速的理论及试验

提出螺旋槽端面密封脱开转速的理论分析模型,并建立适合于密封端面脱开后的内外双槽结构的非接触式端面密封数学模型。理论研究一种外螺旋槽和内人字槽组合的双螺旋槽端面密封的临界脱开转速,同时讨论该类非接触端面密封开启力、流量、摩擦力矩等随转速和密封间隙的变化规律。试验得到了直径100 mm、槽深3 μm的组合螺旋槽(外螺旋槽和内人字槽组合)端面密封在水介质(27 ℃)工况下的临界脱开转速,并将其与理论结果进行对比研究。研究结果表明,当密封转速超过约9 kr/min后,密封处在非接触状态,此时的密封泄漏量仅为1.2 mL/s。试验得到的端面密封脱开转速与理论结果一致(误差小于10%),从而有效地证实了端面脱开转速可作为对密封端面接触与否的判定依据。当密封转速高于脱开转速后,密封处在非接触状态,其工作寿命较长,泄漏量较小,这对于可重复使用火箭发动机涡轮泵端面密封的研制具有重要理论和试验参考价值。     

Performance of Externally Pressurized Grooved Thrust Bearings

Externally pressurized grooved gas thrust bearings for shaft systems were studied both numerically and experimentally. Three thrust bearings composed of a symmetric pair of rings facing a shaft collar were tested. The rings, with inner and outer diameters of 52 and 110 mm, respectively, are equipped with a polar array of eight holes, with a 0.35-mm diameter, distributed on a 65-mm-diameter circumference. The influence of a circumferential groove situated in correspondence with the supply holes is discussed. In particular, two thrust bearings have a rectangular cross-sectional groove of 0.7-mm width and 10- and 20-μm depth. A numerical model based on Reynolds' equation is used to study thrust-bearing performance in relation to geometry (diameter of supply holes, clearance, and groove dimensions). A test rig is used to monitor thrust-bearing axial load capacity and stiffness, and evaluate damping and stability at different supply pressure rates. Experimental and numerical results are compared and discussed.     

衍生螺旋槽对超临界二氧化碳干气密封微气膜稳态特性影响*

以衍生螺旋槽为研究对象,建立衍生螺旋槽端面微气膜三维流动模型,通过软件REFPROP获取CO2在不同压力温度下的物性参数,并导入Fluent计算得到了衍生螺旋槽和经典螺旋槽的膜压分布。对比分析衍生螺旋槽和经典螺旋槽S-CO2干气密封开启力、泄漏率和气膜刚度,讨论不同入口压力和转速下湍流效应、实际气体效应以及离心惯性力对密封稳态性能的影响,揭示多种效应交互耦合对S-CO2干气密封气膜动态特性的密封机制。结果表明：衍生螺旋槽的气膜开启力、泄漏率和气膜刚度等性能参数优于经典螺旋槽,这是衍生螺旋槽两级台阶作用的结果;随着转速的增加,在湍流效应和离心惯性力的交互耦合作用下,开启力、泄漏率及气膜刚度先增大后减小,随入口压力的增大,气膜开启力、泄漏率和气膜刚度均呈近似线性增大,且压力越大衍生螺旋槽和经典螺旋槽的差异越来越明显。     

螺旋槽-波锥坝组合型非接触式机械密封性能分析

针对液体润滑非接触式机械密封在低黏环境下承载性能不足的问题,提出一种新型螺旋槽-波锥坝动静压组合型机械密封结构,采用MATLAB软件利用有限差分法求解考虑质量守恒空化边界的雷诺方程,并将组合槽与螺旋槽、波锥坝的密封性能进行比较,进一步分析不同结构参数与工况参数对组合槽性能参数的影响规律。结果表明:新槽型波数与螺旋槽数重合时组合密封在径向出现2个压力峰值,相较于单一槽型结构拥有更好的承载能力与较小的摩擦扭矩;液膜力与泄漏量随波锥比或径向宽度比的增加而增大,外径压力和转速越大,组合槽的承载性能提升越显著,但外径压力的升高会造成较大的径向泄漏。组合槽结合了波锥槽的静压承载与螺旋槽的动压承载综合优势,将有效提升液体润滑非接触式机械密封在低黏环境下的润滑性能。     

变工况运行中结构参数对螺旋槽动压推力气体轴承承载力的影响

基于纳维-斯托克斯(N-S)方程建立了泵入型螺旋槽动压推力气体轴承仿真三维模型,分析了在变工况运行中不同的结构参数对螺旋槽动压气体推力轴承气膜承载力的影响,结果表明:槽深为30~50μm,螺旋角为18°~36°,台区轴承间隙为4~10μm,槽内径比为0.6~0.8,槽宽比为0.7~0.9,槽数为12~25时,该轴承的气膜承载力达到最大;轴承结构不同时,轴承的气膜承载力由大到小排序为凸型槽、平底槽、凹型槽,且泵入型大于泵出型。     

高参数上游泵送机械密封性能计算与分析研究*

以螺旋槽上游泵送机械密封为研究对象,用有限差分法离散Reynolds方程,基于轴向力平衡条件作为迭代收敛准则,采用逐次超松弛迭代(SOR)法在Mathematica软件中编程求解液膜压力分布,以及相关密封特性参数,并分析不同工况参数与结构参数对密封特性的影响。研究结果表明:泵送率随进口压力的增加呈非线性减小,随转速、槽深、槽长坝长比的增加呈非线性增大;液膜摩擦因数随着转速的增加近似以线性方式增大,随进口压力、槽深、槽长坝长比的增加呈非线性减小;随着螺旋角的增大泵送率先增大后减小,而液膜摩擦因数表现出与泵送率相反的趋势,说明螺旋角存在最优值;相比于结构参数对密封特性的影响,工况参数的影响较大。     

螺旋内窥镜机器人非线性仿真分析模型研究

实验研究狗小肠肠道壁的生物力学特性、肠液及人体胃液流变特性，建立了内窥镜机器人运行环境非线性数学模型，并将其耦合到螺旋内窥镜机器人运动模型中，得到机器人非线性仿真分析模型。理论及实验比较研究了不同转速下机器人轴向驱动力的变化，结果表明，利用该非线性仿真分析模型获得的理论分析结果与实验结果吻合很好。