倾斜菱形孔端面密封的性能研究

基于流体润滑理论模型,采用数值模拟的方法分析几何参数和操作参数对机械密封泄漏率、液膜刚 度和开启力的影响规律,探讨倾斜菱形孔上、下游泵送效应对密封性能的影响机理。结果表明,双向倾斜菱形孔织 构端面能够使机械密封的动压效应显著增强,泄漏率明显降低及液膜稳定性更可靠;在较低转速时,双向倾斜菱形 孔织构可使密封端面迅速打开,能够有效减少启动时两端面间的摩擦和磨损,同时还能降低倾斜菱形孔织构密封的 泄漏率;在研究的工况条件下,非倾斜菱形孔织构密封的液膜稳定性(即变工况自适应能力)在三者(即双向、单向与 非倾斜菱形孔织构密封)中是最佳的;并得到了倾斜菱形孔端面密封的反向开孔比、孔倾角、面积比和孔深等几何参 数的优化取值范围。     

倾斜椭圆微孔端面机械密封的回吸现象及对泄漏量影响

目前研究成果直接或者间接表明机械密封端面加工孔或槽可能会产生间隙流体的回吸,从而减少泄漏量,回吸的现象和机理都需要深入研究。基于Fluent多相流空化模型,针对倾斜椭圆形微孔端面机械密封,建立了其中一个微孔周期的间隙流体的三维数值计算模型,通过改变内外径压差、转速等密封工况参数,研究了回吸现象产生的原因以及回吸现象对泄漏量的影响。首先,通过流动因子判定流动状态、网格无关性分析确定网格尺寸、和文献计算结果对照等,保证了计算模型的正确性。然后,通过数值模拟实验,在靠近泄漏侧微孔单元的r-θ平面流线图和密封间隙出口截面径向速度云图中直接观察到了回吸现象。随后,分析了r-θ平面的压力场、径向方向速度场,结果表明,由于微孔而存在发散间隙,因为动压效应引起出口附近的流体压力降低,低于了密封间隙出口压力,造成了间隙流体产生回吸现象。回吸现象因流体动压效应的增强而增强,而压力的降低将导致空化现象,空化效应阻止了回吸的增强。最后,通过分析外泄量和回吸量曲线,研究了回吸现象在不同内外径压差Δp和转速n下的变化规律。随着回吸现象的出现,泄漏量会出现明显的降低,甚至会出现零泄漏。可以利用倾斜微孔的回吸现象降低机械密封的泄漏量。     

考虑空化效应的微孔端面机械密封泄漏量计算及机理的研究

微孔端面机械密封泄漏量的数值计算方法和机理都不明确。基于质量守恒的JFO空化边界条件建立了微孔端面机械密封的数值计算模型。数值计算结果表明沿着泄漏方向的不同截面的流量并不相等,所以必须要选择合理的积分截面才能计算出正确的泄漏量。根据径向流量场、周向流量场和压力场的分析,讨论了沿着泄漏方向流量不等的原因,揭示了空化效应和动压效应形成高压区,造成泄漏方向流体沿周向运动,从而降低了泄漏量。最后给出了微孔端面机械密封泄漏量计算的公式和方法。     

考虑空化效应的微孔端面机械密封泄漏量计算及机理

针对微孔端面机械密封泄漏量的数值计算方法和机理都不明确,基于质量守恒的JFO空化边界条件建立了微孔端面机械密封的数值计算模型。数值计算结果表明沿着泄漏方向的不同截面的流量并不相等,所以必须要选择合理的积分截面才能计算出正确的泄漏量。根据径向流量场、周向流量场和压力场的分析,讨论了沿着泄漏方向流量不等的原因,揭示了空化效应和动压效应形成高压区,造成泄漏方向流体沿周向运动,从而降低了泄漏量。最后给出微孔端面机械密封泄漏量计算的公式和方法。     

L形槽织构化机械端面密封性能的研究

针对L型槽织构化机械端面密封,建立理论模型,利用基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)的数值模拟方法研究L型槽表面织构在不同槽深、槽型长宽比、偏转角度及动环转速下的密封性能。结果表明:L型槽的动压效应能改变密封端面的压力分布;随偏转角度的增大,密封端面承载力和泄漏量呈波浪式变化规律;偏转角度为225°、长宽比为1的L型槽能改善高速条件下机械端面密封承载能力,并能维持端面泄漏的稳定。     

高速动压密封的气液两相性能对比分析和试验

为明确气相介质和液相介质分别对高速流体动压密封性能的影响,进行两种相态的密封性能对比分析与试验研究.分别建立动压密封端面流体域的气相和液相数值分析模型,分析转速、压差、槽深、槽数、槽坝比等操作参数和端面结构参数对动压密封气相和液相的泄漏量、开启力等性能的影响.自主研制动压密封试验装置,进行变转速、变压差和密封端面磨损试验,得出了转速、压差等操作参数对密封气相泄漏率、液相泄漏率和端面磨损率的影响.数值模拟和试验研究结果表明:相同的转速和压力时,液相密封开启力和泄漏量都比气相密封更大;不同结构参数下,气相和液相密封开启力均有极大值,气相密封和液相密封开启力达到极大值的最优结构参数有所不同,液相密封的最优槽坝比、最优槽数较气相密封小,液相密封开启转速较气相密封低,说明液相动压密封比气相动压密封更容易开启;低速时密封端面磨损较严重,高速时密封端面几乎无磨损,动压密封更适合在高速工况下运行.     

复合槽孔织构化端面机械密封性能的研究

针对机械密封端面单一螺旋槽和单一椭圆微孔织构,提出一种新型的结合螺旋槽、椭圆微孔的复合槽孔织构类型,在建立复合槽孔织构化机械密封端面理论模型的基础上,通过数值求解的方法对比考察单一螺旋槽、椭圆微孔织构化和复合槽孔织构化端面机械密封性能间的差异,分析3种织构化端面的流场特性。计算同一工况条件下3种织构化端面的承载力F、泄漏量Q及膜刚度K,分别考察织构深度h_p、密封间隙h_0、织构面积率S_p、动环旋转速度n及压力比p_i/p_o对3种织构化端面机械密封性能的影响。结果表明:螺旋槽织构能显著提高机械密封端面的承载力和膜刚度,而椭圆微孔织构对降低泄漏量有较大贡献;在较小的织构深度和密封间隙下,复合槽孔织构可获得相对较小的泄漏量和良好的承载力及膜刚度。     

焊接金属波纹管机械密封端面径向振动特性研究

焊接金属波纹管机械密封是轴类密封的重要类型之一,而密封端面振动特性是泄漏量和端面磨损的关键影响因素。由于目前针对焊接金属波纹管机械密封端面振动位移相关理论研究较少且没有具体分析各工作参数对端面振动的影响。首先,作者建立了端面密封环的几何模型和极坐标下端面所受表面压力以及分布力矩的数学模型;采用圆环理论和数值分析方法,推导出受谐波形式载荷条件下端面振动位移的求解公式。然后,利用MATLAB求解出密封端面在不同工况条件下轴向振动和径向振动位移特解。发现在相同的工况条件下径向振动位移均大于轴向振动位移。最后,设计了径向振动试验,利用电涡流传感器测量密封端面径向振动位移,分别探究了介质压力、工作转速、载荷系数和压缩量对径向振动位移的影响。结果表明：工作转速和压缩量对径向振动位移影响较大,介质压力和载荷系数对径向振动位移影响趋势相同。径向振动位移随着转速的增大而急剧增大;随着压缩量的增加先缓慢增大后迅速增大;随着介质压力的升高、载荷系数的增大,径向振动位移先减小后增大。对比理论计算和试验结果,验证了密封端面振动位移数学模型的正确性。优选出合理的工作参数范围为：介质压力为0.4～1.4 MPa,工作转速为1 500～2 500 r/min,载荷系数K为0.60～0.75,压缩量为4～6 mm。     

摩擦副不同表面织构化的润滑减摩性能试验研究

为研究织构位于摩擦副不同表面时的润滑减摩性能,对无表面织构、上试件单表面织构、下试件单表面织构和双表面织构四种不同形式的摩擦副分别在富油和乏油两种润滑条件和50N,100N两种载荷下进行摩擦磨损试验,观察摩擦系数变化规律.试验结果表明:载荷越大,表面织构对摩擦系数的影响越显著;富油条件下,上、下试件单表面织构均能减小摩擦系数,而且上试件单表面织构更加有效;乏油条件下,下试件单表面织构减小而上试件单表面织构增大摩擦系数;双表面织构在不同的润滑条件下均不能减小摩擦系数.     

等边三角形微孔端面机械密封多楔现象对性能的影响

微孔端面机械密封是通过设计改变微孔的几何特性以期望得到更优的密封性能,但几何特性如何影响密封性能却缺乏机理上的研究和指导。结合流体楔效应理论,采用数值计算的方法,基于Fluent多相流空化模型,针对等边三角形微孔端面机械密封,建立了其中1个微孔周期的间隙流体的3维数值计算模型,研究不同方向角下等边三角形微孔几何特性的改变对泄漏率和开启力的影响。首先,使用了流动因子判定流动状态、网格无关性分析确定网格尺寸、文献计算结果对比等方法,保证了数值计算模型的正确性。然后,结合楔效应理论与压力云图分析,提出了多楔现象,即：等边三角形微孔存在3个性质不同的楔。方向角的变化改变了各楔与密封端面旋转线速度间的夹角,故各楔的性质与强度随方向角的变化而变化。流体流经各楔,会产生不同的楔效应,多楔效应的组合影响了压力分布,最终决定了密封性能。最后,基于多楔现象,研究了等边三角形微孔端面机械密封的泄漏率与开启力。低压差下,方向角α=40 °时泄漏率最小;高压差下,α=110 °时泄漏率最小;增大转速将强化泄漏率的变化趋势。开启力在α∈[0 °,120 °]时,先减小后增大,α=60 °时开启力最小;当α∈[0 °,40 °]及α∈[100 °,120 °]时,开启力随转速增加而增大;当α∈[40 °,100 °]时,开启力随转速增加而减小。     

ZM6镁合金的摩擦性能研究

以ZM6镁合金为试验材料,利用正交试验方法和方差分析方法研究了粗糙度、转速和载荷对摩擦系数影响的权重顺序以及其对摩擦性能的影响.结果表明:各因素对摩擦系数影响的权重顺序依次为粗糙度、转速、载荷; 转速为30 r/min时,摩擦系数随着载荷的增加而增大,随着粗糙度的增大先减小后增大; 转速为45 r/min时,摩擦系数随着载荷和粗糙度的增大均先减小后增大; 转速为60 r/min时,摩擦系数随着载荷的增加而减小,随着粗糙度的增大先增大后减小; 载荷为35 N时,摩擦系数随着转速的增大先增大后减小; 载荷为50 N时,摩擦系数随着转速的增大而增大; 载荷为65 N时,摩擦系数随着转速的增大逐渐减小.     

干气密封两种典型螺旋角与DLC薄膜的摩擦性能

低转速和高压力的操作工况对干气密封端面磨损情况十分严重,因此提出静环制备类金刚石(DLC)薄膜,结合槽型结构,分析其动静环端面的摩擦特性。利用摩擦磨损实验机对不同螺旋角下的干气密封进行实验,测试端面温升、摩擦系数及表面磨损形貌的变化规律。实验结果表明,随着载荷和转速的增加,16°螺旋角的摩擦温升、摩擦系数、磨痕均小于18°。在同一工况下18°螺旋角平均摩擦系数比16°大0.02,平均摩擦温升高5℃。一方面由于螺旋角的不同引起界面法向力大小不同,使18°螺旋角的端面磨损程度大于16°。另一方面随着载荷和转速的增大,DLC薄膜石墨化程度加剧,提高润滑性;说明DLC薄膜和螺旋槽对端面摩擦磨损起到了关键作用。另外,端面内圈的磨损程度大于外圈,可以推断螺旋槽能减缓端面的磨损。实验结果为今后螺旋槽干气密封优化设计和工程实际应用奠定了一定基础。     

椭圆型表面织构对机械端面密封动压性能的影响

根据表面织构可以有效改善相对运动表面的摩擦学性能,建立均匀分布的椭圆型微凹坑机械端面密封的理论模型,采用有限差分法对流体动压润滑方程进行求解,获得密封端面间气膜的无量纲压力分布,研究椭圆倾斜角α和形状系数t对压力分布的影响,并考察整个密封端面的平均无量纲压力Pav。结果表明:当t≥1时,密封端面平均无量纲压力Pav随着倾斜角α的增大呈现减小趋势,反之t1时呈增大趋势;不同倾斜角α下,Pav随着形状系数t的增大先增大后减小;通过选择合理的椭圆倾斜角和形状系数,相比于圆凹坑端面可提高约7%的平均无量纲压力。     

水润滑螺旋槽端面密封的理论及试验研究

螺旋槽端面密封是液体火箭发动机涡轮泵用轴端密封的首选;考虑粘温、流体泄漏及热传导,建立了适合于内外双槽中间密封坝结构端面密封的理论分析模型,发展了螺旋槽密封膜厚控制方程和合适的边界条件;以此研究了密封特性参数(端面开启力、液膜刚度、摩擦力矩等)受不同运行参数(工作转速、压差等)和结构参数(槽深等)的影响规律.以水为密封介质,试验研究了处在不同压差和转速条件两类不同槽深的双螺旋槽端面密封的性能.理论和试验研究表明密封端面温升和摩擦力矩随转速和密封压差的增加而增加,槽深对温升和端面摩擦力矩影响不大;试验研究结果很好地验证了理论模型的正确性,为液体火箭发动机涡轮泵轴端密封的设计提供了理论和试验基础.     

干摩擦条件下45钢摩擦性能研究

以45钢为对磨材料,采用止推圈式摩擦试验机测试了材料的摩擦系数,研究了载荷、转速及表面粗糙度等3个因素对材料的滑动摩擦性能的影响以及这3种因素对材料摩擦系数影响的权重.研究结果表明:摩擦系数随着载荷的增大而减小,随着转速的减小而减小;载荷、转速和表面粗糙度对摩擦系数影响的权重分别为0.57、0.36和0.07.     

沟槽型表面织构分布形式对机械密封特性的影响

建立沟槽型表面织构端面气体密封理论模型,利用有限差分法求解流体动压润滑方程获得无量纲压力分布,并考察不同分布形式沟槽宽度和深度对气膜开启力、摩擦扭矩和刚度等密封特性的影响。结果表明:随着槽宽或槽深的增大,气膜开启力和刚度呈先增大后减小趋势,而摩擦扭矩则保持减小趋势;沟槽沿半径方向分布时具有最佳的综合性能。     

双向旋转梯形槽干气密封流场的数值模拟

介绍一种用作抑制密封的新型泵用双向旋转梯形槽干气密封,并定义了该密封的主要几何结构参数.基于气体润滑理论,建立了梯形槽干气密封端面流场的数值计算模型.利用Fluent软件对流场进行数值模拟,获得了端面气膜压力分布、气流速度场、开启力及泄漏率等数据,并分析了端面槽深、槽宽比、吸入角和槽长坝长比对端面开启力、泄漏率这2个主要密封性能参数的影响规律,发现该密封的开启力与泄漏率均随槽深、槽宽比和槽长坝长比的增大而增大,随吸入角的增大而减小.研究结果为双向旋转梯形槽干气密封的设计和进一步研究提供了参考.     

微凹坑相对位置变化对表面减摩性能的影响

为探讨微凹坑相对位置变化对织构化表面减摩性能的影响,在试件表面分别加工变换微凹坑列与速度方向角度、增大微凹坑横向间距减小纵向间距、以及减小微凹坑横向间距增大纵向间距等三种微凹坑相对位置变化系列的表面织构,利用理论方法分析了表面织构在产生流体动压力时微凹坑之间的相互影响,并利用往复式摩擦试验法进行研究.研究结果表明：在固定的微凹坑直径、深度和面积率下,微凹坑相对位置变化对表面织构的减摩性能具有很大的影响;与微凹坑正方形网格分布的织构化表面相比,微凹坑横向间距与纵向间距比值为r=1/3的织构化表面具有最优的减摩提高效果,在试验载荷200N、曲柄转速400r/min时,可进一步降低摩擦22.14%.     

考虑倾斜的非接触机械密封启动过程瞬态热效应研究

针对非接触密封在快速启动过程中易发生热效应引起的密封失效故障,提出了考虑倾斜情况的弹性补偿单元支撑的非接触机械密封瞬态热效应分析模型,它包括瞬态Reynolds方程、能量方程、运动方程等;采用有限差分方法,获得了全部微分方程的差分格式,以此数值模拟了非接触机械密封受外部轴向冲击载荷下密封间隙中油膜的最大压力、最高温度以及最小油膜厚度等的瞬态响应。计算结果表明,随着轴向冲击载荷的增加,密封间压力响应的幅值、最高温升都增加,最小油膜厚度减小;补偿单元静态载荷越大瞬态响应至稳态的时间越短;静载荷越小最高温度的增量越大、最小油膜厚度的变化量也越大。     

基于滑动摩擦的摩擦副表面织构优化分析

利用数值计算方法对织构化滑动摩擦副表面的动压润滑模型进行了求解,从理论上分析了表面织构不同截面类型和表面形状对摩擦副的润滑特性的影响,获得了特定工况下的最优织构参数和织构类型。结果表明：表面织构的不同截面类型和表面形状对摩擦副的摩擦系数和承载力有着非常大的影响;各类截面圆形凹坑都存在一个最优织构半径使得摩擦副摩擦系数最低;凹坑底面适当倾斜能够提高织构区域的承载能力和降低摩擦系数;各类典型表面形状中,底边靠近入口的倒三角形获得了最优的润滑性能;将凹坑底面合理倾斜与优化表面形状相结合可使得承载力得到大大提升。