机械密封端面混合摩擦热计算分形模型

为研究和掌握混合摩擦状态下机械密封端面摩擦热的变化规律,基于端面接触分形模型和平均膜厚分形模型,建立了机械密封端面混合摩擦热计算模型,并通过计算分析了端面混合摩擦热的影响因素。结果表明,随着转速的增大,总摩擦热和液膜黏性剪切摩擦热比增大,微凸体接触摩擦热比减小;随着密封介质压力或弹簧比压的增大,总摩擦热近似呈线性增大,黏性剪切摩擦热比减小,接触摩擦热比增大;随着端面分形维数的增大和特征尺度系数的减小,总摩擦热和黏性剪切摩擦热比增大,接触摩擦热比减小,且端面越光滑,总摩擦热、黏性剪切摩擦热比、接触摩擦热比的变化幅度越大;当密封端面处于混合摩擦状态时,接触摩擦热大于黏性剪切摩擦热。     

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。     

方向性微孔对润滑状态转化的影响

基于平均流量模型和微凸体接触模型,研究混合润滑状态下织构表面的摩擦特性,通过数值求解得到Stribeck曲线,分析法向载荷、润滑油黏度、表面粗糙度、方向因子和倾斜角对摩擦因数及名义摩擦副间隙等摩擦性能参数的影响规律。结果表明：混合润滑条件下,随着载荷的减小或润滑油黏度的增大,摩擦因数减小,名义摩擦副间隙增大,混合润滑转变为流体润滑时的临界转速降低;随着表面粗糙度的增大,摩擦因数和名义摩擦副间隙均增大,临界转速升高;随着倾斜角的减小或方向因子的增大,摩擦因数减小,名义摩擦副间隙增大,并且倾斜角越小,临界转速越低。     

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。     

基于MATLAB的混合摩擦工况下机械密封动态特性研究

考虑机械密封动环和静环端面的粗糙度,同时考虑动环和静环端面摩擦生热和两端面问液膜的粘性热作用,建立了混合摩擦工况下机械密封的数学模型,并结合ANSYS与MATLAB软件对模型进行求解.结果表明:机械密封在启动过程中密封端面内侧温度不断升高,热膨胀作用使得接触压力逐渐增大;外侧温度也有所增加,但增加的速度较内侧慢,内外侧的温差逐渐增大;液膜厚度由内向外逐渐变大,总的液膜力逐渐增大,而总的接触力逐渐变小,接触区域也随之减小,当密封环达到热量平衡时,机械密封也达到平衡状态.     

考虑摩擦和微凸体相互作用的结合面接触刚度和阻尼模型

基于三维分形理论,建立了同时考虑摩擦和微凸体相互作用影响的结合面法向接触刚度和接触阻尼分形模型。通过对所建模型仿真,分析了摩擦因数、分形维数、分形粗糙度参数和接触载荷对接触刚度和接触阻尼的影响。研究结果表明,该模型的接触刚度和接触阻尼随着法向载荷和分形维数的增大而增大,且会随着分形粗糙度参数的增大而变小;接触刚度随着摩擦因数的增大而减小,而接触阻尼则随着摩擦因数的增大而先增大后减小。另外将仅考虑微凸体相互作用和既无摩擦又无微凸体相互作用的情况进行了对比分析,进而得到当分形维数D=2.4时,微凸体相互作用会稍微增大接触刚度;当D≥2.5时,微凸体相互作用会减小接触刚度,且减小的程度越来越大;当2.4≤D≤2.9时,微凸体相互作用会减小接触阻尼。此外,将所建模型的仿真计算结果与实验数据进行对比分析,验证了所建模型的正确性。     

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。     

深海机械密封端面摩擦及变形特性研究

以深海推进器等水下设备用机械密封为研究对象,建立机械密封环模型,考虑深海变工况下接触端面摩擦因数的差异性,采用分离法分别对机械密封动、静环端面进行热-力耦合变形分析,并对分别考虑密封环热变形、力变形、热-力耦合变形的分析结果进行比较。结果表明:接触端面摩擦因数大小与介质压力、转速、液膜厚度等因素有关,端面摩擦因数随介质压力增大而减小,随转速增大而增大,随液膜厚度增大而减小;单一力变形、热变形分析与热-力耦合变形分析结果差别较大,热-力耦合分析结果要比单一变形分析更接近实际、分析更准确;瞬态工况下,端面温度及端面接触应力峰值均出现由外向内的变化趋势,端面接触状态受端面温度分布影响明显。     

船舶艉轴密封装置端面密封摩擦副温度场稳态分析

以端面密封为主密封的船舶艉轴密封装置运行时,摩擦副在海水压力及摩擦力的作用下,密封端面间会产生大量热量,引起摩擦副温度升高,导致端面密封工作不正常。采用整体接触耦合法对船舶艉轴密封装置摩擦副温度场进行稳态分析,并通过实例计算各工况下动、静环的温度分布、热变形、间隙和接触压力情况。结果表明：动、静环端面温度、端面轴向变形随密封介质压力和转速的增加而增大,动环端面轴向变形相对静环端面较小;密封端面最外侧的间隙最大,且最大间隙随转速的增加而增大,随水压的增加而减小;随着水压和转速的增加,接触区域增大,密封端面上各点的最大接触压力出现波浪形的跳动。     

高参数深槽热流体动压机械密封特性计算

综合考虑高参数深槽热流体动压机械端面密封中密封面粗糙度影响、密封环的变形和热传导、端面摩擦生热、端面液膜润滑与承载以及微凸体接触承载等物理过程间的相互作用，提出了适用于真实粗糙表面的高参数深槽热流体动压机械密封的特性计算方法，并对圆弧槽面密封的特性进行了计算，理论计算结果与E．Mayer的试验结果在规律上一致。     

接触式机械密封端面泄漏模型的研究进展

泄漏率是评定机械密封性能的主要参数。接触式机械密封端面泄漏过程复杂,影响因素较多,且泄漏率是一个与运行时间相关的变量,而非稳态参数,因此其泄漏模型的建立是机械密封研究领域的难点。国内外的学者对接触式机械密封端面泄漏模型进行了大量的研究,相继提出了经验公式和数值计算模型。本文介绍了边界摩擦状态和混合摩擦状态的泄漏率经验公式;分析了包含密封端面间的液膜压力、微凸体接触比压、液膜厚度和载荷平衡方程的泄漏率数值计算模型,对不同作者在不同假设条件下采用数值计算模型得出的泄漏率计算结果进行了比较分析;探讨了经验公式和数值计算模型存在的问题。     

GY70型机械密封端面摩擦状态试验研究

机械密封端面摩擦状态包括干摩擦、边界摩擦、流体摩擦和混合摩擦.端面摩擦状态是决定机械密封工作寿命和密封性能好坏的关键因素.本文探讨了判断机械密封端面摩擦状态的摩擦因数法、工况参数法、Mayer法和相对膜厚法.对GY70型机械密封的端面摩擦状态进行了试验研究.研究表明,当弹簧比压为0.0866MPa、介质压力为0.45MPa、转速在1116～2940r/min范围内时,GY70型机械密封端面间的摩擦状态为边界摩擦.     

Calculation of mixed lubrication at piston ring and cylinder liner interface

This paper reports on the theoretical analysis of mixed lubrication for the piston ring. The analytical model is presented by using the average flow and asperity contact model. The cyclic variations of the nominal minimum oil film thickness are obtained by numerical iterative method. The total friction is calculated by using the hydrodynamic and asperity contact theory. The effects of the roughness height, pattern, and engine speed on the nominal minimum film thickness, friction force, and frictional power losses are investigated. As the roughness height increases, the nominal oil film thickness and total friction force increase. Also, the effect of the surface roughness on the boundary friction is dominant at low engine speed and high asperity height. The longitudinal roughness pattern shows lower mean oil film pressure and thinner oil film thickness compared to the case of the isotropic and transverse roughness patterns.     

液压往复密封的摩擦特性分析

基于往复式密封的弹性流体动力润滑的数学模型,对影响密封性能的因素进行了综合分析。综合考虑了形变理论、接触力学理论以及流体-固体耦合理论,采用MATLAB数值分析法,通过数学迭代计算完成最终求解。深入研究了润滑油黏度、界面摩擦系数以及密封圈的表面粗糙度对密封性能的综合影响。结果表明:随着耦合界面摩擦系数的增加,接触摩擦力都呈现出增大的趋势;总摩擦力随着粗糙度的增加呈现出抛物线式变化趋势;润滑油的黏度存在一个临界值,当润滑油黏度小于此临界值时,随着润滑油黏度的增加,总摩擦力先增加后降低;当润滑油黏度超过此临界值时,接触摩擦力呈现出单调增加的趋势;润滑油黏度和界面粗糙度的增加会导致流体泄漏的增大。     

三种型式轴封的摩擦功耗测定与比较

摩擦功耗是评价轴封节能与否的重要指标。利用MMU-2摩擦磨损试验机对3种结构型式轴封即填料密封、机械密封和360度旋转式组合密封的摩擦功耗进行了测定。试验结果表明:3种型式轴封的摩擦功耗随转速的增大而增大,填料密封摩擦功耗最大,机械密封摩擦功耗次之,360度旋转式组合密封摩擦功耗最小;不同材料的填料密封的摩擦功耗不同,碳纤维填料密封和四氟填料密封摩擦功耗基本接近,并且远远低于芳纶填料密封。该结果为正确选择轴封提供了重要的参考依据。     

机械密封环的传热特性分析

研究机械密封端面摩擦热在动环、静环、端面间液膜和密封介质组成的传热系统中的传递规律。按换热面积守恒的原则将密封环简化为当量圆筒,提出动环和静环获得的摩擦热的计算方法,推导密封环的温度分布方程。结果表明,液膜摩擦热量随角频率的增加和平均膜厚的减小而增加。绝大部分摩擦热通过动环传递到介质,静环端面的温升较小。动环靠近介质侧的温度低于空气侧的温度,端面上的温度较高,且端面径向存在温度梯度。增大动环与介质的接触面积或选用热导率大的材料可降低动环上的最高温度和端面上内外径处的温差,提高机械密封的性能。     

A Transient Dynamic Analysis of Mechanical Seals Including Asperity Contact and Face Deformation

Face seals are typically designed to be in contact at standstill. However, as speed and pressure build up, the seal faces deform from their factory flat conditions because of viscous and dry friction heating, as well as mechanical and centrifugal effects. It is imperative that such deformations form a converging gap for radial flow to ensure stable operation and to promote favorable dynamic tracking between stator and rotor. A numerical simulation is presented for the transient response of a face seal that is subjected to forcing misalignments while speeds and pressures are ramped up and down. Asperity contact forces and transient face deformation caused by viscous heating are included. A new closed-form solution is obtained for the elastoplastic contact model, which allows seamless transition between contacting and noncontacting modes of operation. The model is then used to calculate face contact forces that occur predominantly during startup and shutdown. The viscous heating model shows that the time-dependent deformation (coning) is hereditary and that it lags behind the instantaneous heat generation. The dynamic analysis provides a numerical solution for the seal motion in axial and angular modes. The eventual build up of hydrostatic pressure and coning during startup generates opening forces and moments that separate the seal faces, resulting in noncontacting operation. The reverse occurs during shutdown; however, because of the thermal time constant a seal may continue to leak even after it returns to standstill. The analysis and simulation results compare very well with a closed-form solution that predicts a critical speed of separation of contacting seals.     

Fluid-solid interaction model for hydraulic reciprocating O-ring seals

Elastohydrodynamic lubrication characteristics of hydraulic reciprocating seals have significant effects on sealing and tribology performances of hydraulic actuators,especially in high parameter hydraulic systems.Only elastic deformations of hydraulic reciprocating seals were discussed,and hydrodynamic effects were neglected in many studies.The physical process of the fluid-solid interaction effect did not be clearly presented in the existing fluid-solid interaction models for hydraulic reciprocating O-ring seals,and few of these models had been simultaneously validated through experiments.By exploring the physical process of the fluid-solid interaction effect of the hydraulic reciprocating O-ring seal,a numerical fluid-solid interaction model consisting of fluid lubrication,contact mechanics,asperity contact and elastic deformation analyses is constructed with an iterative procedure.With the SRV friction and wear tester,the experiments are performed to investigate the elastohydrodynamic lubrication characteristics of the O-ring seal.The regularity of the friction coefficient varying with the speed of reciprocating motion is obtained in the mixed lubrication condition.The experimental result is used to validate the fluid-solid interaction model.Based on the model,The elastohydrodynamic lubrication characteristics of the hydraulic reciprocating O-ring seal are presented respectively in the dry friction,mixed lubrication and full film lubrication conditions,including of the contact pressure,film thickness,friction coefficient,liquid film pressure and viscous shear stress in the sealing zone.The proposed numerical fluid-solid interaction model can be effectively used to analyze the operation characteristics of the hydraulic reciprocating O-ring seal,and can also be widely used to study other hydraulic reciprocating seals.     

大轴径离心压缩机磁流体密封传热特性研究

高温会降低磁流体饱和磁化强度,造成永磁铁退磁,影响磁流体密封装置的可靠性及稳定性。为探讨磁流体密封装置传热特性,以大轴径离心压缩机磁流体密封为研究对象,同时考虑磁流体摩擦热和轴承摩擦热对磁流体密封装置传热特性的影响,利用有限元数值计算与磁流体、轴承摩擦功耗理论分析相结合的方法,研究磁流体密封装置温度分布规律,分析齿宽、密封间隙和转速对永磁铁和磁流体最高稳态温度的影响,并确定相关工况所需冷却液质量流率。结果表明：由于轴径尺寸较大,表面线速度高,磁流体黏性摩擦热及轴承摩擦热对密封装置传热特性有显著影响,在无冷却工况下,密封装置最高温度超过磁流体和永磁铁的极限使用温度,需通过强制对流换热的方式进行降温处理;永磁铁及磁流体最高稳态温度随着齿宽增加而升高,随着密封间隙增加而减小;随着转速的增加,永磁铁及磁流体最高稳态温度升高,且转速越大,相同转速梯度差之间的温度差越大。