表面粗糙度对螺旋槽干式气体端面密封性能预测与结构优化的影响

将螺旋槽干式气体端面密封(S-DGS)的粗糙表面分成软环端表面、硬环端面开槽底面与非开槽表面3个区域,建立粗糙表面S-DGS性能的有限元分析理论模型,采用该模型研究3个区域表面粗糙度对S-DGS性能参数和端面几何结构参数优化的影响.结果表明:在相同工况和表面综合均方根差的条件下,粗糙表面S-DGS的开启力、气膜刚度和摩擦扭矩均大于光滑表面S-DGS,而泄漏量较小;在有关标准范围之内,硬环端面槽底面和软环端面的表面粗糙度对S-DGS的性能参数预测值产生较大影响,而硬环端面表面粗糙度的影响可以忽略;表面粗糙度对S-DGS端面几何结构参数的优化值没有影响.研究结果对S-DGS性能的正确预测和结构优化设计以及密封的修复工作具有重要的指导意义.     

高速涡轮泵机械密封端面温度变化规律研究

以高速涡轮泵用机械密封为研究对象，以15#液压油为试验介质，考虑循环冷却量、转速、介质压力以及不同摩擦副配对等因素，采用自行搭建的高速密封试验台开展端面温度变化规律的研究. 结果表明:对于高速机械密封，上述因素均对端面温度产生影响，其中转速对端面温度的影响基本成线性关系，循环冷却量对端面温度的影响存在一个阈值，建议实际设计时取阈值的120%，介质压力对端面温度产生影响较大，但是影响程度不如转速；以尽可能获得低的端面温度值来判断，用作静环时浸渍树脂石墨比普通石墨合适，用作动环时碳化硅比钼合金合适.      

雷列台阶-环槽端面密封机理与性能研究

基于质量守恒的JFO空化边界条件建立了雷列台阶-环槽机械密封端面润滑理论模型,采用有限单元法求解Reynolds控制方程,获得了端面膜压、密度比与液膜流线分布,分析了其密封机理与性能规律.结果表明:密封环端面内径侧的圆环浅槽和端面中部的圆环深槽组合结构可造成合理的空化现象,达到空化减漏的目的.其中,端面中部的圆环深槽是端面高压侧雷列台阶和端面低压侧圆环浅槽的隔离带,使得端面低压侧压力分布受端面高压侧压力分布的影响极小.密封流体进入低压侧圆环浅槽时,端面间隙突然发散,压力低于该工况温度下的饱和蒸汽压,整个圆环浅槽区液膜空化,达到零泄漏并出现大量的回流现象.外径侧雷列台阶提供良好的动压承载能力,实现了端面的非接触.雷列台阶和环槽织构的组合应用使得该机械密封具有优良的综合性能.     

端面微形体对液体润滑机械密封性能的影响

针对等深(高)凹(凸)微形体端面液体润滑机械密封,采用有限元法求解等温及层流不可压缩二维Reynolds方程研究了在端面开启力与闭合力平衡的状态下,圆形、正方形、六边形和三角形等不同凹(凸)微形体端面机械密封的平均液膜厚度、摩擦扭矩、液膜刚度和泄漏量等密封参数随微形体面积比的变化规律,并比较了"凹"、"凸"2种微形体端面机械密封的性能.结果表明:微形体面积比对密封性能影响较大,且"凸"微形体端面密封的性能参数所受影响较"凹"微形体密封大;在相同工况和面积比条件下,"凹"微形体端面密封的综合性能优于"凸"微形体端面密封.     

两种螺旋角干气密封环端面摩擦特性试验研究

干气密封环端面的接触摩擦不容忽视,在槽型设计与优化时也应该考虑端面的摩擦特性.利用端面摩擦磨损试验机,分别对16°和18°两种螺旋角的螺旋槽干气密封环进行测试,通过对比分析磨损量、摩擦温度、摩擦系数以及表面粗糙度来讨论密封环的摩擦特性和两种螺旋角对端面摩擦性能的影响.结果表明:18°螺旋角试验的磨损量、摩擦温升和摩擦系数均稍大于16°螺旋角试验,说明18°螺旋角试件的磨损比16°螺旋角的更加剧烈;石墨环被螺旋槽覆盖的外圈粗糙度的变化有较大的差异,内圈粗糙度变化相似,说明槽型参数的改变对石墨环磨损的影响主要体现在外圈.试验结果为今后端面摩擦学性能的研究及槽型优化提供了依据.     

端面宽度对机械密封极限pcv (pressure×velocity)值的影响

端面宽度是机械密封的重要设计参数,为了研究端面宽度对机械密封极限p_cv值(端面比压p_c×端面平均线速度v)的影响,本文作者选取浸呋喃树脂石墨与微孔常压烧结碳化硅作为密封摩擦副,采用定速度变载荷和变速度定载荷两种不同测试方法获取了五种端面宽度摩擦副的极限p_cv值,分析了不同端面宽度摩擦副在不同测试方法下的摩擦系数时变特性和密封介质温度时变特性,并通过扫描电子显微镜和三维激光形貌仪分析了摩擦副的表面磨损特征. 结果表明:在相同测试方法下,与较宽端面摩擦副相比,较窄端面摩擦副的极限p_cv值较高并且密封失效时摩擦系数较小而密封介质温度较高;在给定端面宽度条件下采用定速度变载荷方法测试时,较高速度15.68 m/s对应摩擦副的极限p_cv值相对于较低速度7.84 m/s时较高,其中极限p_c值较低;达到极限p_cv值时,摩擦副表面的磨损机理主要为黏着磨损,其诱因在于端面摩擦扭矩的突增引起端面过热,导致两密封端面因液膜汽化加剧发生干摩擦. 定速度变载荷和变速度定载荷两种方法均可用于测试机械密封极限p_cv值,但采用变速度定载荷方法测试时密封失效对应的摩擦系数突增幅度相对较不明显,失效的现象较难捕捉,石墨表面被破坏的程度也较轻. 在满足材料强度的要求下,减小端面宽度,有效避免端面过热,有利于机械密封达到更大的极限p_cv值. 本文为机械密封极限p_cv值的测量以及端面宽度的设计和密封的延寿方法提供了指导.      

机械密封热力耦合有限元模型与密封性能分析

以接触式机械密封为研究对象,考虑密封环的热力变形和液膜温度、厚度等的耦合关系,建立了二维轴对称热力耦合计算模型,采用有限元与数值迭代技术实现了模型的数值解算,研究了密封端面热力变形规律,分析了不同密封压力下的密封性能.结果表明:热力耦合变形作用下,端面形成收敛型泄漏间隙,最小膜厚位于端面内靠近内径侧位置,最高温度位于最小膜厚处;随密封压力的增大,端面最小膜厚减小,端面最大温升、摩擦扭矩和泄漏率相应增大.采用的模型和计算方法可用于海洋装备用机械密封结构的优化设计.     

表面织构对内燃机缸套-活塞环系统摩擦性能的影响

设计了一种微凹坑表面织构,通过数控精密机械加工的方法制备于缸套切片表面,利用往复式摩擦磨损试验机研究了微凹坑织构在不同工况下的摩擦性能和对内燃机缸套-活塞环摩擦副摩擦性能的影响.试验数据表明:与无织构化表面相比,微凹坑织构的平均摩擦系数均有不同程度的变化,最大降幅达41.83%,最大增幅达33.68%.当微凹坑织构工作在合适的工况条件时,其摩擦性能比无织构化表面有明显的改善.对于某种具有固定几何参数的表面织构,存在一个合适工况条件使其能够最有效地改善摩擦学性能,该工况可为进一步研究提供依据并便于实际应用.此外,转速是影响表面织构改善表面润滑性能的主要因素,试样在不同转速下具有不同的接触电阻阻值变化规律和不同的摩擦系数变化趋势.而在不同转速下,载荷的变化对表面摩擦性能的影响规律也具有明显的差异性.     

CF/PTFE纤维混编织物增强环氧复合材料干摩擦特性

采用碳纤维与聚四氟乙烯纤维(CF/PTFE)混编织物增强,制备了环氧树脂基自润滑复合材料,研究了钢背衬复合材料与45钢在环-环端面干摩擦状态下的摩擦学特性,考查了纤维织物、摩擦热、载荷、速度对材料摩擦磨损性能的影响,用红外热像仪、热电偶及风冷方式对摩擦副温度进行监控,用激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜对复合材料及偶件磨损面进行了观察与能谱分析.结果表明:与碳织物相比,混编纤维织物大大改善了复合材料的摩擦学性能,改善效果极大依赖于摩擦温度、载荷和速度参数.PTFE纤维磨损后在树脂基体及偶件表面形成减摩型转移膜层,材料表现为疲劳磨损特征.摩擦高温使复合材料摩擦学特性改变,黏结磨损加剧,偶件钢环表面出现氧化磨损,树脂基体塑性流动,摩擦力增大.混编纤维的排布方式影响复合材料的摩擦磨损性能,摩擦面上大量破碎的碳纤维易使偶件表面转移膜受到破坏,复合材料转变为以磨粒磨损为主,减摩主要源于磨屑中的润滑组分.     

流体静压型机械密封的三维传热数学模型及端面温度分析

建立了静环倾斜时流体静压型机械密封的三维稳态传热模型,考虑流体黏度随压力、温度的变化,建立了压力、温度的控制方程,采用有限差分法,分析研究了倾斜量、结构参数及操作参数对机械密封温度分布的影响规律.结果表明,端面的最大液膜压力和最高温度随静环倾斜量的增加而增大,倾斜量越大,压黏效应越显著;端面温升受密封的结构参数、操作参数影响明显.静环端面锥角越大,温升越小;流体注入温度越低,温升越大;动环转速越高,温升越大.     

激光加工微凹坑轴表面对唇形密封泵吸及摩擦特性的影响

为了研究轴表面形貌对径向唇形密封泵吸作用及摩擦特性的影响,利用Nd:YAG固体脉冲激光对旋转轴表面进行微凹坑织构化处理,在油封密封试验机上,针对不同转速、不同表面形貌等工况,完成了一系列对比试验,获取了试验过程中的泵吸量、摩擦力以及密封圈温升等参数.并通过扫描电镜对试验后各密封唇表面进行了分析.结果表明:三角形微凹坑顶点朝向油液侧的表面能够增强泵吸作用,且转速对泵吸率影响很大,而其他形状和参数的微凹坑表面不利于泵吸作用的产生;与未织构面相比,圆形凹坑面积占有率为7%和21%的表面具有良好的减摩效果,三角形凹坑顶点沿周向的两表面间减摩效果较好.     

传动装置密封环摩擦磨损性能研究

为分析车辆传动装置密封环在高速高压工作环境下的磨损失效,利用自主研制的试验台研究了速度、接触压力和介质油温对密封摩擦副摩擦磨损特性的影响;利用扫描电子显微镜观察了磨损程度不同的密封环端面的表面形貌,并探讨了其磨损机理.结果表明,在设定的试验条件下,密封摩擦副的摩擦系数随着压力的增大和转速的升高先急剧减小再降幅减缓后趋于稳定,而压力对摩擦状态的影响要比转速显著.密封环端面温度与摩擦状态之间存在相互影响的特征.密封介质性质同样影响着密封环的摩擦状态.在稳定磨损阶段,密封环的磨损机理以磨粒和黏着磨损为主导,当进入到剧烈磨损期后,磨粒磨损和疲劳磨损的影响更为突出.     

铜基粉末冶金干式摩擦副磨合过程摩擦性能研究

离合器摩擦副磨合过程对其摩擦性能有重要影响.以铜基粉末冶金摩擦片和65Mn对偶片构成的干式离合器摩擦副为研究对象,针对实车工况,制定加载工况表,利用摩擦磨损试验机(UMT-5)进行销-盘试验:引入摩擦系数采样段均值系数H和摩擦波动系数D,对磨合状态的识别进行了研究;同时分别研究了转速、压力、温度分别对摩擦副磨合进程和磨损量的影响;分析磨合过程对摩擦性能的影响;同时利用白光干涉仪观察磨合过程中的磨擦盘表面形貌,计算接触区域面粗糙度,探究磨合机理.结果表明:当摩擦系数采样段均值系数H≤0.02,且摩擦波动系数稳定在D≤0.16时,认为磨合完成.不同加载工况对磨合快慢有明显影响;与速度和压力两个影响因素相比,温度对磨合过程磨损量的影响更为显著;经历有效磨合过程后的磨擦副摩擦系数较稳定,且比未经历过磨合过程的摩擦副小35%~45%左右,同时磨损量也减小30%~40%;随着磨合时间的增加,面粗糙度初期迅速减小,后期趋于平稳.     

表面织构化机械密封热弹流润滑性能分析

综合考虑密封端面间的粗糙表面接触、热弹性变形和黏温效应,结合JFO空化条件,建立了混合润滑状态下织构化端面机械密封的热弹流润滑(TEHD)理论分析模型.在航空泵用机械密封的操作工况范围内,应用有限单元法数值分析了圆形、方形和三角形等几种典型表面织构机械密封在稳定状态下的端面液膜压力、膜厚和膜温分布,以及对密封性能参数的影响规律.结果表明:表面织构对端面压力和温度分布影响很大;端面开三角形织构2的机械密封能获得最大的液膜承载比、最小摩擦系数、最高液膜刚度,在低压下能满足泄漏要求,因此性能最优.     

汽车盘式制动器摩擦-振动耦合特性试验研究

本文针对9种具有不同厚薄差和端面跳动量组合的汽车盘式制动器,利用制动器惯性试验台在四种制动压力工况下进行了制动转矩和制动压力的测量,并通过阶次分析与小波分析的方法研究了盘式制动器摩擦特性与制动压力波动之间的耦合关系.研究发现:制动盘的厚薄差和端面跳动会引起法向力的波动,进而引起摩擦系数的波动,并且摩擦系数、制动压力以及制动转矩的波动都与转速存在2阶的阶次关系;摩擦系数静态成分随着相对速度的减小和制动压力的减小而增大;摩擦系数动态部分随制动压力的增大而减小,且主要由制动盘厚薄差引起,端面跳动对其影响不明显.     

PEEK旋转密封环密封性能仿真和试验研究

为研究低刚度胀圈型旋转密封环的接触状态和密封性能，以聚醚醚酮(PEEK)材料的无槽环和V形槽环两种密封环为研究对象，基于COMSOL有限元软件建立了旋转密封流固耦合模型，对密封状态进行了模拟分析，并在试验台上测试了密封环的摩擦转矩和漏率. 仿真结果表明:在载荷作用下，密封环的变形显著影响密封面接触压力和流体压力分布. 试验结果表明:由于槽区流体的静压承载作用，V形槽环的摩擦转矩比无槽环小40%左右，但由于端面开槽减小了局部径向密封宽度，V形槽环漏率比无槽环大10%左右. 另外，两种环的摩擦转矩随转速增加均没有下降趋势，说明在试验条件下密封面动压减摩效果不显著. 研究结果有助于进一步认识胀圈型旋转密封环的密封机理，指导新型密封环的设计.      

铸型尼龙端面扭动摩擦接触模型及实验验证

基于刚性平冲头压在弹性半无限空间的理论研究,建立了玻璃纤维增强铸型尼龙(MC尼龙)复合材料与45#钢的端面扭动摩擦模型,并开展了铸型尼龙端面扭动摩擦学试验.结果表明:摩擦扭矩-角位移(T-θ)曲线随角位移幅值的增加由直线形、椭圆形最终转变为准平行四边形;纯MC尼龙及其复合材料(3%GF、5%GF)在扭动角分别为0.5°、1°和2°时,扭动接触界面处于完全滑移状态,其不同的摩擦系数直接影响黏着半径与扭动角的关系,即导致了不同的扭动界面接触机制;MC尼龙复合材料的扭矩随扭动角的增加急剧减小至稳定状态,由扭矩与扭动角的关系还可知部分滑移状态时的扭矩值高于完全滑移状态的扭矩.不同角位移下的实验扭矩与计算曲线相似,揭示了该扭动摩擦模型可近似预测MC尼龙复合材料的扭矩.     

接触式机械密封端面摩擦系数影响因素分析与试验

通过理论模拟计算和试验,研究并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系数的影响.依据接触式机械密封端面摩擦系数分形模型,并考虑端面摩擦系数与端面平均温度的相互耦合关系,通过模拟计算,对B104a-70型机械密封端面摩擦系数的影响因素进行分析.计算结果表明,端面摩擦系数随着弹簧比压的增大而增大,随着密封流体压力的增大而减小;当转速较小时,端面摩擦系数随着转速的增大而增大,当转速增大到一定数值后,端面摩擦系数则随着转速的增大而略有减小;端面摩擦系数随着软质环端面分形维数的增大和特征尺度系数的减小而增大,且端面越光滑增大的幅度越大.通过在不同的弹簧比压、密封流体压力和转速下的试验对理论计算结果进行了验证,试验密封流体为15℃清水.结果表明:随着弹簧比压、密封流体压力及转速的变化,摩擦系数理论计算值与试验值的变化规律相同;当转速和密封流体压力均较小时,最大相对误差为21.74%;而当转速达到正常工作转速2 900 r/min时,最大相对误差为5.08%.     

碳纤维织物/环氧复合材料油润滑下摩擦学性能

采用半干法制备碳纤维织物增强环氧树脂基自润滑复合材料,研究钢背衬复合材料与45钢在环-环端面浸油润滑状态下的摩擦学特性,考查载荷、速度和碳织物类型对复合材料摩擦磨损性能的影响,并采用扫描电子显微镜对复合材料及偶件磨损表面进行观察与分析.结果表明:轻载高速启动可显著提高单向碳织物/环氧复合材料的摩擦磨损性能,边界润滑状态下的碳织物/环氧复合材料主要表现出黏着磨损特性,对偶钢环上出现的网状转移膜大大改善了材料的摩擦学性能;平纹碳织物/环氧复合材料因表面织物纹理使得润滑油能深入到摩擦表面各区域,在重载下表现出较低的摩擦系数.     

交变载荷作用下端面密封瞬态耦合特性分析

建立了机械密封热-结构耦合计算的数学模型并给出详细的求解边界条件,推导了密封端面开口间隙与端面液膜压力的函数关系。利用离散节点加载的方法完成了对应工况下端面液膜压力的加载,给出了弹簧作用力的交变函数表达形式,通过与载荷时间结合的动力学瞬态分析,获得了密封端面的温度和压力等特性参数。结果表明,瞬态分析中密封端面各特性在多数时刻点仍表现出与稳态相似的特征,端面局部接触且其处于高温区,静环与动环端面分离并呈一定形式的锥形开口形状;随时间变化的弹簧比压,改变了密封装置的受力状况,使端面的温度、接触压力等特性呈现出交变的瞬态特征。