基于分形接触理论的机械密封泄漏率与膜厚预测*

针对机械密封运转过程中平均膜厚的变化规律,采用重构分形接触模型表征端面形貌,结合机械密封泄漏率预测模型,建立了平均膜厚预测模型。使用Mathematica软件对给定工况下机械密封的泄漏率和平均膜厚进行理论计算,分析不同参数条件下泄漏率和平均膜厚的变化趋势。研究表明：当分形维数较小时,尺度系数减小、材料系数增大和端面比载荷增大均可使平均膜厚减小,但材料系数变化对平均膜厚数值的影响幅度较小,而尺度系数和材料系数减小、端面比载荷增大可导致泄漏率降低;当分形维数大于1.69时,机械密封端面比载荷和材料性能参数对泄漏率和平均膜厚的影响可忽略不计。     

机械密封端面形貌的三维重建及其表征

为了准确方便地描述机械密封端面的三维形貌及泄漏通道,基于密封环端面断层扫描二维图像,研究开发了机械密封端面形貌三维重建程序;提出了机械密封端面形貌的表征参数,并建立了基于体素的密封端面计盒维数和孔隙率算法。研究结果表明：基于断层图像的密封端面三维重建形貌能有效地反映密封端面的三维计盒维数和孔隙率等参数;层与层之间的面孔隙率具有一定的变化规律,在体孔隙率不变的情况下,改变各断层面孔隙率的分布,可以控制动静环密封端面间泄漏通道的形成及泄漏通道的大小;当采样层数较少时,采样层数对计算结果影响较大,在采样层数达到一定数值后,采样层数对计算精度的影响越来越小。     

弹簧比压对机械密封性能影响的分形分析

在考虑磨损引起端面表面形貌变化的基础上,引入分形理论分析了弹簧比压对平衡型机械密封泄漏率和端面摩擦特性的影响,并针对GY-70平衡型机械密封进行了试验研究。理论分析和试验结果表明,尽管弹簧比压的变化有时不足以改变机械密封的端面摩擦状态,但随着弹簧比压的增大,摩擦副之间的润滑介质已相对减少,端面摩擦特性逐渐恶化。机械密封存在一最佳弹簧比压,不同的工况条件下,最佳弹簧比压是不相同的。正确选择弹簧比压是实现机械密封长寿命低泄漏率的关键。     

基于渗流原理的液体润滑机械密封的泄漏率研究

针对现有机械密封端面泄漏通道模型存在的不足,考虑到流体在端面间的流动过程和渗流过程具有相似特征,建立了基于渗流原理的接触式机械密封端面间渗流通道模型,利用达西公式计算了端面间的泄漏率。研究了表面粗糙度、膜厚对孔隙率的影响,表面粗糙度对最大微凸体直径的影响,以及膜厚、表面粗糙度、端面宽度和对泄漏率影响。结果表明,孔隙率随表面粗糙度的增大而减小,随膜厚的增大而增大;最大微凸体直径随表面粗糙度的增大呈线性增大趋势;泄漏率随表面粗糙度的增大先增大后减小,随膜厚的增大而增大,随密封端面宽度的增大而减小。提出的研究方法为更准确计算接触式机械密封的泄漏率提供了新思路,对进一步探究密封的泄漏机理具有一定的科学意义。     

接触式机械密封基本性能研究进展

研究包括端面摩擦特性和密封特性(泄漏指标)的接触式机械密封基本性能,有利于延长机械密封的使用寿命,减少因泄漏带来的损失。通过对前人在机械密封端面摩擦特性及泄漏特性方面的研究成果包括摩擦特性参数、表面形貌的影响及其表征、端面材料配对、泄漏通道模型及界面流体流动特性的综述,分析了现有研究存在的不足,指出了机械密封基本性能研究的后续方向:全面考察机械密封的摩擦及泄漏特性,优化密封界面泄漏通道模型,建立密封界面流体流动模型。     

接触式机械密封端面的分形磨损模型

基于分形理论将动、静环端面的接触简化为粗糙表面与理想刚性平面的接触，讨论了接触式机械密封端面形貌的表征方法，建立了接触式机械密封的磨损模型。根据建立的模型，分析各分形参数、材料参数及工作参数对磨损的影响，并，将所建模型与实验数据进行对比，验证了模型的合理性。结果表明：接触式机械密封分形维数D与其磨损率γ呈浴盆曲线的关系;特征长度尺度参数G、端面比载荷pg、转速n与其磨损率γ成正比；接触式机械密封的综合弹性模量E与其磨损率γ成反比。     

基于分形理论的接触式机械密封端面摩擦热模拟计算

通过模拟计算,分析工作参数和端面形貌分形参数对接触式机械密封端面摩擦热的影响。基于机械密封端面接触分形模型,考虑密封端面摩擦热、摩擦系数、端面温度之间相互影响的关系,提出了密封端面摩擦热的耦合计算方法。对内流式部分平衡型机械密封端面摩擦热的影响因素进行了计算分析。结果表明,随着弹簧比压或密封流体压力的增大,密封端面摩擦热线性增大;随着转速的增大,密封端面摩擦热近似线性增大,且密封端面越光滑,摩擦热的增量越大;随着端面分形维数的增大或特征尺度系数的减小,密封端面摩擦热非性线增大,且随着密封端面趋于光滑,摩擦热的增幅变大。     

机械密封端面黏着磨损分形模型

在机械密封端面接触分形模型基础上,依据Archard磨损理论,通过引入分形磨损系数及求解塑性和弹塑性变形微凸体的体积,建立了机械密封端面黏着磨损分形模型。得到了机械密封软质环端面磨损率与端面轮廓分形参数、真实接触面积、材料性能参数以及工作参数之间的关系式。对B104a-70型机械密封软质环端面的磨损率进行了计算和分析。结果表明,端面磨损率随着端面比压、转速及端面特征尺度系数的增大而增大;随着端面分形维数的增大先迅速减小后逐渐增大,即存在一个使磨损率最小的最优分形维数。     

金属垫片泄漏模型理论研究

依据分形几何理论,结合不可压缩粘性流体层流流动理论,建立基于分形参数的金属垫片泄漏模型,该模型揭示了泄漏率与密封表面形貌之间的关系。研究表明,密封表面分形维数D越大,螺栓-法兰-金属垫片密封系统越不易发生泄漏,这对于法兰和金属垫片密封表面的加工具有重要指导意义。     

粗糙表面间密封性能研究进展

在微观尺度下的静密封界面表面形貌是粗糙不平的，两粗糙表面上的微凸体在载荷作用下会接触形成孔隙；随着接触压力的减小或观察尺度的增加，当孔隙增加到一定数量时孔隙之间会相互连通形成泄漏通道，影响密封性能。现有的粗糙表面密封分析基于均化思想、逾渗理论和多孔介质思想等方法建立泄漏通道模型，考虑表面粗糙度、表面纹理以及表面载荷等对密封性能的影响。对现有的粗糙表面间密封性能的研究现状进行综述，分析现有的粗糙表面密封研究方法存在的不足之处，指出粗糙表面间密封研究可能的方向，为进一步研究粗糙表面密封机制提供了参考。     

干气密封滑动密封端面高频微幅摩擦振动研究

为揭示干气密封端面间摩擦振动规律,通过对密封端面在干摩擦状态下的微观形貌与受力进行分析,基于分形理论构建包含分形参数的密封端面法向位移激励,以及干气密封在干摩擦状态下的两自由度摩擦振动系统模型,并对摩擦振动系统模型的影响因素进行数值分析.研究结果表明:法向振动位移和速度随着分形维数与转速的增大先增大后减小;密封环面分形...     

基于多孔介质模型的机械密封静压泄漏特性分析

针对接触式机械密封普遍存在的渗漏现象,考虑到流体在多孔介质中的流动和在密封端面间的流动具有相似特征,基于多孔介质模型建立密封端面间渗流模型,通过对动量方程和连续性方程的推导,得到适用于密封端面间流体流动的控制方程,提出一种密封端面间泄漏率的解析计算新方法,并与COMSOL数值模拟得到的泄漏率进行对比分析;研究孔隙率、端面表面粗糙度、膜厚、密封介质压力和弹簧比压对静压泄漏特性的影响规律。结果表明,泄漏率随孔隙率、端面表面粗糙度、膜厚和密封介质压力的增大而增大,随弹簧比压的增大而减小,解析计算结果和数值模拟结果的变化趋势基本一致,证明该解析法计算泄漏率具有实用性和可行性。     

基于多孔介质理论的双粗糙面金属静密封泄漏模型

粗糙面微观几何形貌是影响静密封泄漏特性的重要因素。应用粗糙面的三维点云数据,将粗糙面进行离散化处理,进而将由双粗糙面构成的密封界面等效为三维逾渗栅格模型,基于多孔介质理论计算得到密封界面的孔隙率和渗透率,从而建立了一种双粗糙密封界面的泄漏率模型。搭建金属静密封泄漏率测量试验台,通过对环面金属静密封泄漏特性的试验研究,验证了该泄漏模型的有效性。利用该模型分析了表面纹理方向、粗糙面波动频率与材料特性对金属静密封泄漏特性的影响。结果表明：各向异性粗糙面构成的密封界面具有较好的密封性能;粗糙面波动频率越大,密封性能越好;低硬度材料易于实现有效密封;在重载情况下,粗糙面微观几何形貌对孔隙率与泄漏率的影响不显著。     

平板式固体氧化物燃料电池封接气密性的LBM模拟与分析

对平板式固体氧化物燃料电池(SOFC)的压缩密封结构的泄漏特性进行定量研究。为模拟粗糙泄漏通道的复杂形貌,采用粗糙表面数值重构技术来构建不同气体泄漏通道;考虑流动通道尺度细微、边界复杂,应用格子Boltzmann方法(LBM)对气体流动特性进行数值分析,建立包括粗糙表面几何特性参数在内的泄漏率计算模型;通过单粗糙峰微观接触力学分析,建立泄漏通道结构特征参数随应力变化的定量关系式,并分析各种因素对封接气密性的影响。结果表明:压缩密封结构的主要影响因素为粗糙表面形貌、密封材料机械力学特性、密封流体物性以及密封结构工作状态;表面粗糙度越大,温度越高,泄漏率越低;压缩密封过程中材料变形较小,对泄漏率的影响也较小;不同介质的热物理性质差异会引起泄漏率的不同。将提出的模型应用于某SOFC密封结构的泄漏率预测,计算结果与实验测量结果吻合良好,验证了模型的准确性。     

基于流固耦合的接触式机械密封端面泄漏率的研究

由于没有考虑密封环端面变形的影响,采用经验公式计算接触式机械密封端面的泄漏率存在较大的误差。本文考虑了密封端面泄漏率受密封环端面变形的影响,采用ANSYS和MATLAB软件对密封端面泄漏率进行流固耦合数值求解。研究了密封介质压力pi、密封端面压差Δp、弹簧比压psp和密封端面综合粗糙度σ对接触式机械密封泄漏率Q的影响。通过试验,验证了不同密封介质压力下,密封端面泄漏率数值解的正确性。结果表明,考虑密封环端面变形的数值解比经验公式解更接近测量值。密封端面泄漏率随密封端面综合粗糙度和密封端面压差的增大而加速增大,随介质压力的增大而增大,随弹簧比压的增大而减速增大。本文通过对密封端面泄漏率数值求解,分析泄漏率的影响因素,以期为完善接触式机械密封失效机理起到一定的指导意义。     

金属垫片密封泄漏模型试验研究

建立了气体通过金属垫片的泄漏模型.对常温下金属平垫片密封性能进行了试验研究,研究了压紧应力、介质压力和表面形貌对密封性能的影响.试验表明,泄漏率随分形维数、压紧应力和尺度系数的变化规律与理论模型的描述基本一致,泄漏率的理论计算值与试验结果吻合较好,表明建立的金属垫片泄漏模型是合理的.建立的泄漏率计算公式将泄漏率、压紧应力、介质压力和密封表面分形参数联系在一起,因而使以最大允许泄漏率为准则的金属垫片密封连接设计以及紧密性评价成为可能.     

PEEK摩擦信号分形维数与表面形貌相关性试验研究

为研究聚醚醚酮树脂/球墨铸铁摩擦副磨合初期摩擦信号分形维数与聚醚醚酮初始表面形貌分形维数的相关性,在UMT-3MT摩擦磨损试验机上对聚醚醚酮树脂/球墨铸铁摩擦副进行了摩擦磨损试验,运用结构函数测度法对初始表面形貌、摩擦力信号、摩擦因数信号进行了分形表征,计算得到了不同载荷下的分形维数。研究结果表明,聚醚醚酮初始表面和摩擦信号均具有显著的分形特征;在相同速度、相同初始表面下,摩擦信号的分形维数随着载荷的增大而增大;在相同速度、不同载荷下,磨合初期摩擦信号的分形维数均与初始表面分形维数负相关。     

不同润滑状态下表面粗糙度对人字槽密封性能的影响

为研究端面形貌对液膜密封密封性能的影响,在人字槽液膜密封端面结构的基础上,建立考虑密封表面粗糙度的数学模型,采用端面形貌表征值(微凸体周向与径向的长度比)和表面粗糙度标准差(综合表面粗糙度的均方根偏差)表征粗糙参数,分析不同润滑状态下表面粗糙度参数对人字槽密封性能的影响。计算结果表明:在混合摩擦状态时,随着端面形貌表征值的增加,摩擦因数和泄漏量逐渐减小,液膜承载能力变大;随着表面粗糙度标准差的增加,摩擦因数和泄漏量变大,液膜承载能力下降;在全液膜密封状态时,随着端面形貌表征值的增加,摩擦因数不变,泄漏量减小,液膜刚度先增大后略为减小;随着表面粗糙度标准差的增加,摩擦因数不变,泄漏量和液膜刚度变大。     

端面形貌和流体剪切稀化对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响

为研究密封端面形貌变化和润滑流体的剪切稀化特性对螺旋槽液膜密封稳态特性的影响基于幂律模型,建立考虑润滑流体的剪切稀化特性、密封端面径向锥度和周向波度的螺旋槽液膜密封稳态特性数学模型,利用有限差分法求解稳态雷诺方程,分析径向锥度和周向波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响规律。结果表明:当锥度增大时,液膜密封开启力减小、泄漏量增大、摩擦扭矩减小,润滑流体的剪切稀化特性可以明显地减小密封端面开启力和泄漏量,稍微增大摩擦扭矩;当波数增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅减小、摩擦扭矩增大;当波幅增大时,液膜密封开启力增大、泄漏量小幅增大、摩擦扭矩明显减小;波度对剪切稀化流体液膜密封稳态特性的影响程度要稍弱于对牛顿流体的影响,但整体趋势保持一致。     

三维表面形貌的逾渗特性表征

为了建立表面形貌微观结构与其功能特性之间的关系,基于逾渗理论建立了表面形貌的逾渗模型,用逾渗概率、空体集团平均大小和空体集团分布系数对三维表面形貌的逾渗特性进行了量化表征。采用数字滤波技术生成具有给定自相关函数和纹理取向的数字化粗糙表面,分析了具有相同均方根粗糙度而结构不同的三维表面形貌的逾渗特性,给出了表面纹理方向参数和自相关长度对表面逾渗特性的影响,并借助部分三维形貌参数(ISO25178)建立了表面形貌与逾渗特性参数间的量化关系。结果表明:对于各向异性表面,沿横向搜索跨越空体集团,表面逾渗发生时的表面高度、逾渗阈值和逾渗体积均随着表面纹理方向参数的增大呈减小趋势,而空体集团分布系数呈增大趋势;沿纵向搜索时,其变化规律与横向相反。对于各向同性表面,逾渗发生时的表面高度和逾渗阈值随着表面自相关长度的增大呈先减小后小幅增大趋势,而逾渗体积和空体集团平均大小呈逐渐减小趋势。研究结果为面向功能的表面形貌设计提供了理论基础。