气液两相对机械密封润滑膜超声检测精度的影响

机械密封动环和静环之间形成的润滑膜厚度是其稳定运行的一个重要评价指标,为实现润滑膜厚度的非接触检测,根据机械密封润滑膜的特点,构建了接触式机械密封润滑膜的超声检测模型,并推导了润滑膜厚度的计算公式.指出机械密封在运行过程中会产生两相流,准确测量机械密封润滑膜的厚度,必须考虑密封介质的两相问题.引入中间变量混合因子,通过...     

可倾瓦推力轴承润滑膜厚度的超声检测技术研究*

核主泵、水轮机等设备大多为立式轴系,轴系中的推力轴承为扇形可倾瓦轴承,基于承载和抗磨损角度考虑润滑膜的厚度值成为了反映表征推力轴承工作状态的一个重要指标。为精确检测可倾瓦推力轴承的润滑膜厚度,基于超声无损检测技术给出针对润滑膜厚度的检测模型,并构建推力轴承润滑膜厚度的超声检测系统。该系统主要由推力轴承试验台和超声在线检测装置组成。在推力轴承额定转速1 800 r/min、试验时间6 min的条件下,采用超声测试获得推力瓦块进油边和出油边附近的润滑膜厚度,采用电涡流测试获得瓦块支点处的润滑膜厚度,并将超声测量数据与理论计算数据进行对比。超声测试结果计算获得的支点处润滑膜厚度值为47 μm,与电涡流传感器测得的平均值51 μm仅相差4 μm,从试验角度证明了超声测试方法的可行性;另外,在测点1处润滑膜厚度的理论计算值与超声测试值相差8 μm,在测点2处润滑膜厚度的理论计算值与超声测试值相差3 μm,从理论角度证明了超声测试方法的可行性。     

环境因素对推力轴承润滑膜超声检测精度的影响

核主泵推力轴承摩擦副采用的润滑介质黏度较低且轴承工作于高温高压等极端工况下,采用超声技术对润滑膜分布进行精确测量时,要考虑环境因素的影响。建立核主泵推力轴承润滑膜分布的超声检测模型,并在模拟试验台上进行推力润滑状态的实测。在对测试结果的分析中考虑测量时温度和压力等环境因素的影响,分析环境因素对超声检测精度的影响程度。结果表明：在启、停阶段推力轴承处于边界润滑状态,考虑温度和压力影响时润滑膜厚值最大会增大加38.5%;在额定转速下推力轴承处于流体润滑状态,考虑温度和压力影响时润滑膜厚值最大会增大加39.8%。     

纳米薄膜润滑及其改性的分子动力学模拟

研究了纯正十三烷和含有摩尔分数为10％的多面体倍半硅氧烷材料T8H8的正十三烷两种润滑膜在不同剪切速率下的纳米薄膜润滑行为。首先建立了长链分子间的作用力模型,接着运用分子动力学模拟的方法得到了两种润滑膜分别在1 m／s、5 m／s、10 m／s和20 m／s四种不同剪切速率下所受到的平均剪应力以及沿着膜厚方向的速度、密度和平均温度分布,考察了一些特殊的物理现象。结果表明:分层和层间滑移现象在两种润滑膜的各种剪切速率下都会发生,是纳米薄膜润滑中的普遍现象;随着剪切速率的不断增加,两种润滑膜内部的温度都在不断升高。在各种剪切速率下,润滑膜中心层的温度总是达到最高值;T8H8加入到纯正十三烷中能显著降低润滑膜所受到的剪切应力和内部产生的温度,达到改善润滑剂润滑效果的作用。     

浸渍石墨微观特征对机械密封润滑膜超声检测精度的影响

针对机械密封润滑膜厚度的精准测量问题,研究浸渍石墨微观特征对超声膜厚检测精度的影响,采用石墨化度和气孔率对浸渍石墨的微观特征进行表征.以烧制温度和颗粒度为工艺变量制备具有不同石墨化度和气孔率的石墨试样,对石墨试样的声阻抗和润滑膜厚度进行超声测试.结果表明:声阻抗随着石墨化度的增大而增大,随着气孔率的增大而减小,表明石墨...     

新型光干涉法纳米级润滑膜厚度测量仪

润滑膜厚度的测量是开展纳米量级薄膜润滑状态研究的关键问题。利用光干涉法相对光强原理研制出一种纳米级润滑膜厚度测量仪,在低速低载荷条件下对点接触纯滑动润滑接触中心区润滑膜厚度进行测量,并讨论接触中心区和润滑膜厚度与速度和载荷之间的关系。结果表明:已测量的膜厚值已达到纳米量级,在设定工况下润滑膜厚度随速度增大而增大,随载荷增大而减小;比较Hamrock-Dowson公式计算结果和实验结论证明,这种仪器能有效实现对纳米级润滑薄膜厚度的测量。     

泵用高参数机械密封润滑系统流体膜流场特性分析

泵用机械密封工作在高速、高温、高压环境之下,对密封条件要求非常高;动环-流体膜-静环组成的机械密封润滑系统中,流体膜流场特性影响着机械密封的密封性能好坏和密封装置工作的稳定性。首先建立实际条件下微尺度的流体膜三维模型,采用计算流体动力学(CFD)理论及方法,对流体膜的流场特性进行数值模拟,得到流体膜流场的压力分布云图,并提取相应半径处压力值与理论计算结果进行对比,两数据得到了较好的吻合。以此模型为基础,进一步探索了工况环境对整体压力分布以及流体膜的承载特性的影响规律,研究结果为机械密封的优化设计提供了理论指导。     

磁流体润滑非接触式机械密封系统的设计分析

根据磁流体黏度随磁场强度变化的特点,以磁流体为润滑介质,提出一种非接触式磁流体密封结构。设计适用于非接触式机械密封的电磁场发生器,并采用ANSYS软件对密封环及润滑膜整体结构的磁场强度进行分析,得到磁感线分布和磁场强度分布,建立电流与磁流体膜内磁场强度的关系。结果表明:设计的磁场发生器在密封环端面处产生的磁场强度达到最高水平,且磁感线垂直于密封端面均匀分布,有利于通过控制电流来控制磁流体膜的黏度。     

弹性流体动力脂润滑光干涉试验台的研制

由于弹流润滑的接触区域小、润滑膜厚度薄,且由于润滑脂的非线性黏塑性和强烈的非牛顿性,使得弹流脂润滑的润滑膜厚度测量及实验研究十分困难。基于光干涉测量润滑膜厚度的基本原理,研制出一种弹性流体动力脂润滑的光干涉试验台,并设计其机械传动装置、图像采集装置、供脂及加载装置。在该光干涉试验台上进行白光干涉和单色光干涉试验,Hertz干接触及弹流脂润滑试验。结果表明,该光干涉试验台采集的图像清晰稳定;采用单色光干涉试验比白光干涉试验获得的条纹更加清晰,且测量范围更大。理论计算与实验测量结果一致,表明该试验台可用于弹流脂润滑的实验研究。     

槽参数对高温密封汽液固流动特性及性能的影响

以高温动压型机械密封为研究对象,基于Eulerian多相流模型和蒸发冷凝模型,建立涉及高温汽化、固体颗粒、黏温效应及牛顿流体内摩擦效应的动压型机械密封润滑膜汽液固三相流动模型,模拟研究槽深、槽宽比、螺旋角及槽径比对润滑膜汽化、固体颗粒分布规律及密封性能的影响关系。研究表明：润滑膜固体颗粒体积分数随槽深、槽径比的增大而增大,且在槽宽比为0.5时出现最大值,而固体颗粒体积分数随螺旋角的变化规律与转速有关;润滑膜平均汽相体积分数随槽深的增大而减小,随螺旋角的增大而增大,槽宽比为0.7时平均汽相体积分数出现最大值,槽径比在0.3以上时平均汽相体积分数随槽径比的增大而增大;槽深8 μm时润滑膜汽相、固体颗粒相出现突变,槽深低于8 μm时处于气相较高、固体颗粒相较小状态,槽深高于8 μm时则相反;基于汽液固流动的密封性能分析表明,选用9 μm左右的槽深、0.6左右的槽径比、16°～20°的螺旋角、0.3~0.4的槽宽比时对密封性能有利,采用8 μm以上的槽深及小于0.5的槽宽比时,转速较高时选用较小槽径比、转速较低时选用较大槽径比时有利于抑制汽化。     

基于FRAP的微间隙润滑油膜流速测量方法

薄油膜润滑广泛存在于各类精密机械与微机电系统中。微纳米间隙内的润滑油流动是影响薄膜润滑承载力的重要因素,但目前薄润滑油膜的流速测量仍然缺少有效手段。本文基于荧光漂白恢复显微技术和漂白区域形状演化过程的成像分析,建立了油膜流速测量系统,可以对微米间隙润滑油膜的速度分布进行原位测量。利用建立的系统获得了厚度为8μm时聚丁烯PB450润滑油膜的库埃特流速分布。重建的荧光漂白强度分布曲线和实验测量结果的皮尔森相关系数大于0.95,且流速分布符合已有润滑理论,证明了测量结果的可靠性。     

机械结构液体层厚度超声谐振的测量方法

针对机械结构安全运行的需要,进行机械结构液体层厚度超声谐振测量方法研究。基于垂直入射纵波在三层介质中传播的连续模型,通过对不同厚度液体层超声反射系数分析,提出一种基于超声反射系数谐振频率的液体层厚度测量方法。在对超声谐振测量系统进行标定的基础上,进行机械结构液体层厚度超声谐振测量试验研究,同时研究了3层介质的声学特性对液体层超声反射系数及厚度测量的影响。结果表明,液体层反射系数的谐振频率能够表征其厚度。在对测量系统进行标定的基础上,测量误差基本保持在5%以内。液体层两侧介质材料的变化对液体层的测量基本没有影响,但液体层介质材料的变化将对测量系统产生影响,需要重新对测量系统进行标定。     

机械密封的发展历程与研究动向

介绍了机械密封的产生及其发展背景，阐述了机械密封每一阶段发展的主要动力。综述50年来构建机械密封机理的表面张力假说和粘滞力假说。基于表面张力假说，机械密封存在空化、汽化密封理论；基于粘滞力假说，存在边界润滑、混合润滑密封理论。在不断探索机械密封机理的同时，成功地利用密封机理设计制造了机械密封产品。目前先进的机械密封应用技术主要有表面改形技术、组合密封技术和可控机械密封技术。阐明了现有密封理论都存在着无法解决的问题，指出了机械密封的研究动向。提高机械密封端面参数测试的可靠性是研究和揭示机械密封有关规律的关键；可控机械密封实践仍存在不少难点，包括最佳工况点的求取、控制参数的选择与测量、反馈执行机构的研制等；纳米材料的特殊性能有助于改善机械密封端面间润滑状态，开发纳米材料机械密封和应用纳米冲洗液将是机械密封研究的近期目标。     

超高速涡轮泵机械密封热弹流润滑特性研究

以超高速涡轮泵用机械密封为研究对象,针对超高速工况下密封界面多场耦合变形行为和热弹流润滑特性不明等问题,建立密封动静环和润滑液膜的耦合数学模型,研究不同转速和密封压力下的密封界面润滑特性和端面变形行为,分析相应的密封性能变化规律。结果表明：超高速工况下密封端面产生沿泄漏方向收敛的液膜间隙,密封动环的高温热变形是主因;随密封压力的增大,液膜间隙的收敛角减小,最大膜厚和泄漏率增大,端面温升明显减小;随着转速的增大,液膜间隙的收敛角、端面温升和泄漏率增大,摩擦扭矩减小。建立的流固热力耦合模型可为超高速涡轮泵用机械密封端面的优化设计提供理论指导。     

镶嵌式直线深槽流体动压型机械密封性能研究

以端面开有直线深槽的镶嵌式密封结构为分析对象,建立了密封环与润滑液膜间的流固力耦合模型,采用有限差分和有限元法分别求解润滑方程和变形方程,研究了密封压力和转速对润滑液膜的影响规律,分析了操作参数对密封性能的影响。研究结果表明,由于直线深槽作用,密封端面形成了一定的波度和锥度,波度随着压力的升高而变大,但锥度增幅不是很明显,而对波度的变化影响较大。密封端面的波度和锥度随转速的变化不大。密封压力升高时,密封端面间的泄漏率增大,摩擦系数相应地减小;密封转速增大时,密封端面间的泄漏率变化不是很明显,而摩擦系数相应的增大。     

A Mixed Thermoelastohydrodynamic Lubrication Analysis of Mechanical Face Seals by a Multiscale Approach

This article presents an improvement to a previous multiscale approach used to model the mixed lubrication regime in a mechanical face seal. The physical mechanisms considered by the improved model are the surface roughness effects on the fluid film lubrication, the thermal deformations, and the heat transfer in the seal rings due to viscous and dry friction. The developed numerical model determines the pressure distribution by taking into account the effect of cavitation and contact asperity between the surfaces. Heat dissipation, heat transfer, and deformations are computed from the heat dissipated at the seal interface by a finite element technique. The multiscale model significantly reduces computation time while maintaining the accuracy of the results. The results obtained through a parametric study show that there are different operating zones where the lubricating film thickness is controlled by the roughness height or by the thermal effect.     

三自由度微扰下箔片端面气膜密封动态特性分析

提出一种新型箔片端面气膜密封方式,基于气体润滑与弹性力学理论,应用小扰动法建立箔片端面气膜密封的微扰膜压控制方程。对比分析了不同箔片变形力学模型下的动态特性系数变化规律,探究了不同工况及结构参数对气膜动态特性的影响规律,以最大动态主刚度和阻尼作为综合优化目标,确定了结构参数的优选范围。结果表明：随着激振频率、转轴转速的提高,气膜动态主刚度与动态主阻尼的动态互补变化,抑制了润滑膜厚的激变,同时作为气膜不稳定诱因的动态交叉系数的变化放缓,降低了因工况突变引起气膜振荡、失稳的风险;此外,介质压力的增大能够显著提升密封维稳、抗振性能。当楔形高度取5～8 μm,节距比取0.2～0.4,箔坝比取0.5～1.1,箔片数取4～6,箔片结构阻尼取5×107～8×107 Pa·s/m时,箔片端面气膜密封综合动态抗扰性能较优。     

Observation of lubrication conditions using an ultrasonic technique

Evaluation of lubrication conditions for a real frictional surface, such as a steel bearing, becomes an important issue for safe operation of a machine. In this paper, an application of ultrasonic technique is attempted for a purpose of evaluating the lubrication conditions. Ultrasonic waves emitted towards a hydrodynamic lubrication interface are reflected multiple times in oil film, and an echo height of reflected waves from the boundary is dependent on film thickness. The results of this study indicated that the ultrasonic technique is able to measure film thickness of approximately 50 nm in the case of a standstill surface having extremely small surface roughness. Furthermore, a potential for estimating the oil film thickness between a piston ring and cylinder is also indicated. In addition, in the case of a ball bearing, quantitative measurement of a size of dent, which forms the origin of flaking, is important for an evaluation of lubrication conditions. This becomes possible with an observation of a change in the echo height reflected from a boundary surface between a housing and an outer ring of the ball bearing. In this study, quantitative measurement of an indentation having 0.32 mm width on a raceway surface of an inner ring was achieved. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.