基于摩擦热效应的刷式密封摩擦副匹配性实验研究

刷丝与转子涂层相互作用产生的摩擦热效应直接影响刷式密封的密封性能和使用寿命。分析了刷式密封摩擦副之间的摩擦热效应理论,设计搭建了刷式密封摩擦副摩擦热效应实验装置,设计加工了6种不同结构参数与刷丝材料的刷式密封实验件和4种不同涂层材料的摩擦转盘,实验研究了工况参数、结构参数以及不同摩擦副材料对刷式密封摩擦热效应的影响,通过对比分析刷式密封最高温度以及磨损前后摩擦副的磨损形貌及磨损量,获取了刷丝与转子涂层材料的匹配性关系。研究结果表明：刷式密封最高温度会随着摩擦时长的增加先迅速升高后趋于稳定,随着干涉量的增大而升高,干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm,刷丝平均最高温升达39.96℃;最高温度随着刷丝束厚度的增加而升高,随着后挡板保护高度的增大而降低;当刷丝材料为钴基高温合金GH605时,最佳转子涂层材料为WC,当刷丝材料为镍基高温合金GH4169时,最佳转子涂层材料为ZrO₂,此两种匹配材料能够在相同工况下产生较低的摩擦热量,且耐磨性能高于其他匹配材料。     

考虑渐进磨损效应的指尖密封流-固耦合性能分析*

转子的高速转动会造成指尖密封的渐进磨损,进而会对指尖密封的泄漏性能产生影响。考虑渐进磨损效应对指尖密封的影响,建立指尖密封流-固耦合动态性能分析有限元模型,研究指尖密封泄漏性能随服役时间增长的变化规律。结果表明:随着服役时间的增长,指尖密封的接触压力、指尖靴(径向)尺寸以及指尖密封的泄漏率均呈现出非线性变化趋势,且随服役时间的增长,考虑渐进磨损效应与否的指尖密封动态性能间的差异会随之增大。通过指尖密封泄漏性能试验,验证了所构建的考虑渐进磨损效应的指尖密封流-固耦合动态性能分析模型,并根据指尖密封的泄漏性能随服役时间增长的变化规律拟合寿命评估数学模型,经外推后可实现对指尖密封寿命的预测。     

基于流固热多场耦合的高速旋转唇形密封性能研究

针对一种橡胶材料高速旋转唇形密封,结合其自身结构及应用工况,通过方程离散化计算等方法,建立定量分析密封系统密封性能的数值仿真模型。基于所建立的模型对密封实际服役状态下界面流体力学、宏观固体力学、表面粗糙峰微观接触力学、唇口摩擦生热等多物理过程之间的耦合关系进行分析,借助实验验证并完善数值仿真模型的准确性。通过所建立的数值仿真分析模型研究油封唇口接触压力分布、唇口温度、摩擦力矩及泄漏率等衡量密封性能的关键参数随转速的变化规律。结果表明：在高转速条件下考虑摩擦生热时油封径向力减小,接触宽度增加,摩擦力矩减小,说明摩擦热对油封密封性能产生较大影响。     

基于粗糙接触的指尖密封热分析

提出了基于粗糙表面接触热阻的修正计算方法和考虑粗糙峰高度正态分布截断影响的修正系数拟合计算公式。根据等效的概念,将指尖密封系统中各接触副的接触热阻通过"圆柱桥"模型加以描述,在此基础上建立了指尖密封系统的有限元热分析模型。通过有限元计算,获得了指尖密封系统的温度场分布,以及系统最高温度随接触副表面粗糙度、转子过盈量和系统上下游气体压差等结构工况参数的变化规律。这一工作对于指尖密封的深入研究和设计具有较高的参考价值。     

金属O型圈高温密封性能研究

为研究海上稠油热采工具密封用金属O型圈的高温密封性能,建立金属O型圈密封轴对称有限元分析模型,计算其高温条件下接触压力与剪切应力变化规律,分析金属O型圈高温密封影响因素,并利用试验验证理论研究结果。研究表明,温度变化显著影响金属O型圈的强度和密封性能,金属密封圈最大接触应力和剪切应力随工作压力的增加呈非线性增大,密封圈密封性提高,强度下降;初始压缩率在12%~16%范围内时,金属O型圈的高温密封性能最好,能满足350 ℃下稠油热采工具密封要求。理论研究结果通过试验得到有效验证。     

考虑粗糙度效应的微孔化机械密封摩擦副接触特性分析

针对机械密封装置在启停阶段或某些特定工况下出现高温以及摩擦磨损严重等问题，探究考虑粗糙度效应的微孔化机械密封端面接触压力及温升的变化规律，以揭示机械密封端面的真实接触状态。基于分形理论建立机械密封静环粗糙表面和动环微孔接触模型，采用数值计算方法，研究微孔对机械密封端面接触压力和温升的影响，以及表面粗糙度对机械密封端面接触面积、接触压力、温升的影响。结果表明：微凸体经过微孔时，微凸体嵌入微孔边缘使得接触压力峰值增大，导致切削发生；摩擦过程中，压力最高点位置因为微凸体的弹塑性变形而不固定，改善了微凸体的受力情况；微孔降低了密封端面的接触面积，从而使得微凸体的接触减少、压力极值点减少，降低了密封端面摩擦副的温度，改善了密封端面的磨损状况；表面粗糙度越小，接触面积越大，接触压力、端面温度更加均匀，表面粗糙度越大，端面磨损风险更加严重。     

钢-钢摩擦副在不同润滑和接触形式下的高温减摩性能的研究

用多功能SRV试验机评价了在干摩擦和油润滑条件下,试验参数对钢-钢摩擦副在点接触和线接触形式下的高温减摩性能的影响。结果表明,在试验范围内,随着试验负荷的增大,钢-钢摩擦副在干摩擦条件下线接触摩擦因数和点接触摩擦因数呈逐渐下降的趋势,这种下降趋势在线接触时尤为明显;但在油润滑条件下,试验负荷的增大对钢-钢摩擦副之间的线接触和点接触摩擦因数的影响不显著。在干摩擦条件下,不论是在点接触还是线接触形式下,试验速度对钢-钢摩擦副之间的高温点接触和线接触摩擦因数的影响并不显著;但在油润滑条件下,试验速度对钢-钢摩擦副的高温线接触和点接触摩擦因数的影响都比较显著,特别是在较高的试验速度时影响更为明显。     

飞机舵机组合O形密封件密封性能与摩擦热效应的数值分析

飞机舵机一般采用橡胶-聚四氟乙烯组合O形密封件密封活塞杆高压端面,舵机工作时的摩擦发热会导致密封件的密封性能下降。为研究密封性能的热效应,利用ABAQUS软件建立考虑三重非线性(材料非线性、几何非线性以及边界非线性)的热-结构耦合效应的组合O形密封件有限元模型,分析密封件在不同油压下的接触压力分布及密封性能。开发ABAQUS的重启动功能,研究不同油压、滑动速度以及摩擦因数3种因素对密封件在活塞杆滑动过程中的摩擦生热影响,得到密封件的局部温度场分布,探讨3种因素对温度场的影响规律。分析结果表明:密封件在活塞杆滑动过程中的最高温度随着油压、滑动速度和摩擦因数的增大而增大,其中摩擦因数的影响最为显著。     

高速滑滚接触条件下摩擦副的热分析

高速旋转摩擦副生热加剧会引起零部件的工作温度异常升高,严重时会导致摩擦副表面润滑失效、摩擦副胶合甚至咬死,严重威胁系统的正常运行。针对摩擦生热问题,建立高速滑滚摩擦副的表面温升计算模型:分别利用接触理论和传热学分析两滚子摩擦副的接触特性和摩擦生热,将结果作为边界条件施加到接触摩擦副的有限元模型中,得到摩擦副的表面温升及沿深度方向温度变化情况。通过与高速台架试验中获得的摩擦副表面温度进行比较,表明了高速滑滚摩擦生热模型正确,为分析摩擦副表面热失效行为提供了理论基础。     

背压腔结构对压力平衡型指尖密封性能的影响分析

采用有限元法分析了背压腔结构变化对压力平衡型指尖密封性能的影响程度和规律 ,探讨了背压腔设置位置和背压腔大小在不同密封流体压差和转子径向跳动量条件下 ,对指尖密封的迟滞率和转子 /指尖靴接触区接触压力的影响规律 ,以便为在保证不发生背压腔泄漏的条件下 ,合理设计背压腔的位置和尺寸提供理论和参考依据。