干气密封气膜—密封环系统轴向振动动力稳定性分析

摘要：基于非线性振动理论,建立了气膜-密封环系统轴向振动动力学模型,在特例下计算并拟合非线性气膜轴向刚度与阻尼,得到了一个含二次、三次项的非线性受迫振动微分方程。在无外激励情况下,通过求Floquet指数讨论了系统分岔问题,分析了螺旋角对系统稳定性的影响,给出了使干气密封系统稳定的螺旋角的范围, 并求得在特例下螺旋角α=75°13′26″时系统发生hopf分岔。这与先前利用龙格-库塔法研究的结果一致,从而验证了该方法的正确性。改变工况讨论系统分岔问题,得到了系统分岔时的螺旋角数值,结果表明其螺旋角数值基本不变,说明改变工况其分岔点位置不变,其结果为干气密封的动态优化设计提供理论指导。     

干气密封系统角向摆动的稳定性及其振动响应

干气密封系统角向摆动改变了动静密封环间的微尺度间隙,进而影响了干气密封的密封性能,建立了角向振动下气膜-密封环系统的动力学模型,应用微扰法和龙格-库塔法求解气膜角向刚度、临界转动惯量和角向摆动的二维振动方程,获得了密封系统稳定时的密封结构参数范围,并分析了最佳稳定点和临界点振动响应。研究结果表明:在特例中螺旋角α=75°邻域内,存在着稳定区域α=74°30′06″-75°16′10″,其最佳值为αopt=74°53′48″。最佳稳定点振动响应为准周期运动,而临界点振动响应发生了混沌运动。     

热耗散变形下干气密封角向摆动稳定性的研究

干气密封系统角向摆动对密封端面造成磨损和影响密封的稳定性,通过数值求解和试验测试来探究密封角向摆动的稳定性规律。基于非线性振动理论,建立了气膜-密封环系统角向摆动模型,同时考虑热耗散变形对气膜厚度和刚度的影响。将气膜刚度和阻尼表示为含有摆角的多项式变量代入振动方程并设置无外激励,利用Floquet指数对非线性振动微分方程进行求解。在热耗散变形下的螺旋角为75°48'32″和无热耗散变形下的螺旋角为75°42'55″时,密封将会发生Hopf分岔,表明考虑热耗散变形下系统稳定运行时的螺旋角范围更大,热耗散变形对螺旋角和分岔点位置有一定影响。选取75°50'和75°两种螺旋角测试热耗散变形下角向摆动对密封端面和泄漏量的影响,发现考虑热耗散变形下螺旋角75°50'的干气密封端面擦痕严重,泄漏量不断增加,无法稳定,相比较螺旋角75°的泄漏量更大,说明热耗散变形对干气密封角向摆动有一定的影响,为干气密封的动态优化设计提供了理论指导。     

热耗散变形下干气密封系统轴向振动稳定性分析

基于非线性振动理论,建立了气膜-密封环系统轴向振动模型,同时考虑了热耗散有热弹变形对气膜厚度和刚度的影响。在特定的工况下,求解并拟合了非线性气膜的轴向刚度和阻尼,获得了一个非线性受迫振动微分方程。在无外激励情况下,通过求解Floquet指数,讨论了系统分岔的问题,分析了螺旋角对系统稳定性的影响,得到了干气密封系统稳定运行的螺旋角范围,并求得螺旋角为75°54′36″时系统发生Hopf分岔。将数据结果与无热耗散有热弹变形、无变形下的数据进行比较。研究结果表明:考虑热耗散有热弹变形下的系统稳定的螺旋角范围比无热耗散有热弹变形和无变形的螺旋角范围更大。热耗散热弹变形下发生Hopf分岔的分叉点位置相比无热耗散有热弹变形和无变形的分岔点更加突出。这与先前利用龙格-库塔法研究的结果一致,从而验证该方法的正确性。其结果说明,热耗散有热弹变形对干气密封系统的稳定运行有一定的干扰,对工程实际具有一定应用价值。     

螺旋离心泵转子系统动态响应数值分析

为研究螺旋离心泵转子对流固耦合作用的动态响应信息,以ZJ200-25型双叶片螺旋离心泵为研究对象,利用CFD软件CFX12.1和有限元软件ANSYS Workbench对其进行了考虑流场变载荷和结构相互作用的两场交替联合求解。得到转子受到的激励力以及位移响应频谱特点,结果表明：叶轮受到流场变载荷激励,发生了弯曲及拉伸振动;叶轮径向位移随流量增大而减小,其主频率与径向力主频率同为48.3Hz,轴向力以低频随机波动为主,但轴向位移仅在200Hz以内有较明显的响应,且振幅随频率增加而减小;叶轮质心位移在低阶频率处的振幅不高,高阶频率的振幅逐渐减小,轴向及径向位移均没有振幅过大的情况出现,说明螺旋离心泵转子正常工作时未发生共振,稳定性良好。本文研究结果对螺旋离心泵转子系统的设计改良及振动分析具有一定的参考意义。     

密封环扰动状态下稳定性分析及动态响应

应用微扰方法和数值计算对重载车辆传动装置密封环在扰动状态下的稳定性及其动态响应进行分析。根据传动装置密封环的工作特点,建立了密封环三自由度的扰动模型,采用有限差分法求解时变雷诺方程,模拟实际运行工况,应用动态参数计算模型,对密封油膜的刚度和阻尼系数进行了数值求解,分析了角微扰动与偏转力矩的关系,研究了密封轴向、周向的刚度系数和阻尼系数随工况条件的变化规律,预测对密封面碰摩的影响。结果表明,油膜厚度对系统的刚度和阻尼系数影响较大,在膜厚较大时,密封的不稳定性增强。同时随着工况条件的变化,特别在Pv值较大时,刚度系数增长较快。适当控制膜厚和合理配置传动装置的转速和输入压力,对预防密封碰摩较为有利。     

转子/密封系统失稳振动抑制的动力吸振方法研究

针对密封中流体引起转子/密封系统振动失稳的问题。提出采用动力吸振器(DVA)实现转子/密封系统失稳振动抑制。建立转子/密封-DVA系统非线性微分方程,采用数值方法求解并获得附加DVA前后转子/密封系统的非线性特性;根据Hurwitz判据获得系统的临界稳定条件;通过遗传算法优化DVA参数,获得附加优化DVA前后转子/密封系统稳定性。结果表明:附加DVA能够改变转子/密封系统失稳振动频率和失稳阈值;在一定的转速范围内失稳振动被完全抑制;在不完全抑制的转速范围内,附加DVA能降低失稳振动的振幅。     

钻柱纵向振动分析与应用

利用钻柱纵向振动数学模型,分析了钻柱轴向应力振幅分布曲线和钻柱中最大轴向应力幅频曲线的特征以及钻井液粘度、激励位移、减振器位置对钻杆中最大轴向应力振幅的影响。分析表明：钻柱中轴向应力振幅沿纵向呈波状分布,其最大值在钻柱底部或钻杆中;钻杆中的最大轴向应力振幅随转速的变化曲线呈凹坑形,为了保护钻柱,应该选择凹坑中间的转速带;钻杆中的最大轴向应力振幅和钻柱底部的轴向应力振幅随转速的变化趋势并不完全一致,以后者作为判断钻柱是否共振和优选转速的指标不够准确,而应以前者作为该指标;钻杆中的最大轴向应力振幅与激励位移大致成正比;钻井液粘度越高,钻杆中的最大轴向应力振幅越小;减振器位置可以改变钻柱纵振系统的固有频率,从保护钻柱角度考虑,低转速时,减振器应紧靠钻头安装,高转速时,减振器应与钻头保持一定距离;通过优选钻具组合和转速,防止钻柱共振是预防钻具失效的有效措施     

干气密封动静环摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型

基于分形理论,根据重新建立的微凸体接触模型,并考虑微凸体弹性变形以及热应力变形,建立了干气密封两摩擦界面热弹性法向接触刚度计算模型,并对其影响因素进行了数值分析。研究结果表明:热法向接触刚度、弹性法向接触刚度均随无量纲真实接触面积、分形维数增大而增大,而随特征尺寸增大而减小,其中分形维数、特征尺寸对弹性法向接触刚度影响较为显著;摩擦因数对热法向接触刚度和弹性法向接触刚度的影响相反,摩擦因数增大,热法向接触刚度变大,而弹性法向接触刚度变小;热法向接触刚度随着转速以线性方式增大。摩擦界面热弹法向接触刚度分形模型的建立与分析,将为研究考虑热效应的干气密封摩擦振动奠定一定基础。     

液膜密封振动及冲击动力学特性

液膜密封运行过程因工况瞬时变化、系统振动及润滑不足等因素易引发端面接触冲击,严重影响密封寿命。建立考虑端面接触的液膜密封动力学模型,采用直接数值求解方法对运动方程、质量守恒空化边界雷诺方程、微凸体接触方程在全时间域内耦合求解,研究了液膜空化、轴向扰动及运行工况瞬变对密封稳定性与冲击特性的影响。结果表明:液膜空化有效提高了系统抗干扰能力,膜厚越小,受扰动后震荡频率越大且恢复至稳定状态的时间越长;发生端面冲击时膜厚振动频率显著大于全液膜状态下所受扰动情况。随转速及密封腔压力变化值的不断扩大,接触载荷值及冲击频率均不断增大,冲力响应越显著,在端面接触发生瞬间有明显的速度方向突变。     

弹簧和补偿环用辅助密封圈刚度和阻尼对气体端面密封追随性的影响研究

In actual operation of a gas face seal, its stator ring’s ability to track its rotating seal ring’s axial endplay and angle swing (i. e. , its tracking property) is crucial, its excellent tracking property can reduce the influence of external disturbances on the seal stability. Here, a gas face seal assembly was simplified into a spring-damper-mass system. Using the perturbation method based on the linearization, the gas film dynamic stiffness and damping coefficients were solved. Then, the effect laws of stiffness and damping of spring and secondary seal on the tracking property of gas face seal were investigated. Gas face seals had three different end face structures including dynamic pressure one, hydrostatic pressure one and dynamic-hydrostatic pressure hybrid one. Results showed that the three types of seal possess perfect axial and angular tracking properties when stiffness and damping are less than a certain order of magnitude; with increase in stiffness and damping, the tracking property of gas face seal becomes poorer; under the same conditions, the dynamic pressure gas face seal has the best tracking property, followed by the dynamic-hydrostatic pressure hybrid one, and the last is the hydrostatic pressure one.     

热耗散变形下螺旋槽干气密封微尺度气膜流动特性研究

螺旋槽干气密封在高压、高速旋转时内部会产生一定量的热,导致密封环发生热弹变形,从而对密封性能产生影响。首先在速度滑移边界条件下,求出螺旋槽内的气膜压力和气膜速度,然后推导出气膜的无热耗散能量方程及有热耗散能量方程,进而利用气膜的压力、速度和能量方程,通过 Maple 和 Matlab 软件求解槽内气膜的温度分布。然后由热弹变形理论,求解出密封环的变形量,获得螺旋槽内气膜厚度的解析式。最后利用广义雷诺方程求出理论泄漏量,并与泄漏量的实验值进行比较。研究结果表明:随着气体从外径流入内径,槽内温度的分布规律是先升高后降低,槽根部周围温度较高;热弹变形量与温度变化的规律一致,而气膜厚度的变化趋势与之相反;干气密封中的泄漏量随变形量增大而增大,考虑热耗散有变形的泄漏量更接近于实验值。     

反转轴间气膜密封振动过程分析

摘 要：本文对一种双端面反转轴间气膜密封因外界扰动而引起的振动进行了研究,用有限元方法计算了两个端面的气膜刚度和阻尼,分析了瞬态扰动力作用下前密封跑道和主密封环的振动过程,并研究了系统质量、压力等因素对振动的影响。结果表明,系统的自由振动频率主要由前密封跑道质量决定,主密封环质量对自由振动频率影响较小;同一密封跑道质量对应的不同的环道质量对系统的振动收敛时间影响不大;系统的压差越大,所能承受的扰动力越小,越易瞬时振动失稳。该计算结果对气膜密封的动力学响应分析具有一定的指导意义。     

基于超磁致伸缩驱动器的油膜轴承-转子系统的稳定性研究

以超磁致伸缩驱动器(GMA)油膜轴承-柔性转子系统为研究对象,计入轴承质量和转子刚度建立了包括GMA磁滞伸缩力模型在内的动力学方程,利用Routh-Hurwitz准则,推导了GMA油膜轴承所支承的单质量弹性对称转子系统的稳定性判据。考察了驱动GMA的反馈电流的相位角和电流大小、转子刚度、转子质量和轴承质量对系统失稳转速的影响。结果表明,反馈电流的相位角对系统失稳转速影响很大,存在一个最佳值,使系统的失稳转速最高,系统稳定性最佳,并随着反馈驱动电流和转子刚度的增大,失稳转速明显增大;随着转子质量的增加,系统的失稳转速也是增加的,而轴承的质量对系统的失稳转速影响不大。计算结果在GMA油膜轴承-转子系统整体建模方面有一定的意义。     

基于分段间隙函数的螺旋锥齿轮时变啮合参数分析

刚度和阻尼等啮合参数是螺旋锥齿轮非线性振动的主要影响因素。考虑啮合刚度和啮合阻尼的时变性,采用二次谐波形式展开,建立了螺旋锥齿轮副振动平衡方程。基于不同啮合状态下间隙函数的变化,研究了啮合刚度及啮合阻尼在三种啮合状态下对螺旋锥齿轮副啮合特性的影响规律。采用Matlab进行分析,给出了平均啮合阻尼、谐波啮合阻尼、主谐波啮合刚度和次谐波啮合刚度对啮合点振动位移的影响曲线。结果表明增大平均啮合阻尼和降低主谐波啮合刚度会降低振动位移峰值,提高齿轮传动平稳性。     

迷宫密封气流激振及其动力系数的研究

本文从流体力学基本方程出发,建立起一组描述在迷宫密封腔中气流流动情况的偏微分方程组,并应用特征线方法求得了其解.同时还按不同工作条件下密封腔内的压力分布,进行了迷宫装置刚度的计算.为了从实验方面也能对迷宫气流激振形成的迷宫装置的动力特性进行研究,设计并制造了一台可以在多种条件下进行试验的试验台.通过试验,测得了在不同工作条件下各密封腔内的压力分布,从而得到了以实测为基础的迷宫装置的刚度系数.实验还结合振动频谱分析,研究了各种参数对转子系统稳定性的影响.文中将实验结果与理论分析进行了比较,两者间的相符情况是令人满意的.