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%.     

基于逾渗理论的机械密封界面静态泄漏预测方法

针对现有机械密封泄漏机理研究存在的不足,利用Hertz理论研究机械密封界面接触力学问题,揭示了孔隙率随端面形貌、端面载荷等参数的变化规律;基于逾渗理论,探讨了不同网格层数下密封界面的逾渗阈值与孔隙率的关系,建立了密封界面泄漏通道模型,以及泄漏率与端面形貌参数关系表达式;研制了机械密封静态泄漏测试装置,测试了6组不同端面形貌试件在一定介质压力下的泄漏率.结果表明:密封界面的初始孔隙率?0随着分形维数D的增大而增大;端面比压pc增大,孔隙率?减小,并随着D的增大和尺度系数G的减小,?快速减小,直至填实.在端面比压作用下,密封界面的孔隙率均大于0.593,密封界面泄漏通道可以简化为单层网格逾渗模型.密封环的表面越粗糙,其密封界面的孔隙率越大,而由孔隙连通形成的泄漏微通道孔喉尺寸就越大,致使密封界面的泄漏率越大;泄漏率理论预测值与试验结果具有良好的吻合度,验证了本文泄漏预测方法的合理性.     

接触式机械密封端面经济加工分形维数

考虑端面形貌对机械密封性能和加工成本的影响,运用分形理论分析了端面分形参数与泄漏率之间的关系,提出了密封端面经济加工分形维数概念.针对GY-70型机械密封进行了密封性能试验和端面形貌参数测量,发现随着运行时间的推移,密封端面分形维数增大速率逐渐减小,泄漏率降低速率逐渐减小.当t为130 h时,泄漏率Q达到允许值5×10-6m3/h,D=1.645.结果表明:基于允许泄漏率的机械密封,具有一定的经济加工分形维数.合理设计密封端面分形维数可以避免盲目提高加工精度,缩短机械密封的磨合时间,实现初始密封.     

液体密封端面倾斜椭圆孔上游泵送特性

气液异相介质隔离密封的实现有赖于密封端面几何型槽的上游泵送特性，为探索多孔端面实现液封气密封的设计途径，对液体密封端面倾斜椭圆孔上游泵送特性开展研究. 考虑空化效应，采用有限差分方法对转速、密封间隙、密封压力等操作参数和孔深、倾斜角、方向因子、孔数等结构参数对开启力和泄漏率的影响规律进行了数值分析. 结果显示:液体润滑条件下端面倾斜椭圆孔可产生明显的上游泵送效应，增加周向孔数和方向因子可实现被密封介质的完全零泄漏，同时可产生明显的流体动压效应使端面开启力提高50%以上. 文中密封压力条件下，孔深取5~10 μm，倾斜角取45°，周向孔数大于80，方向因子大于3时，密封可实现完全反向泵送，反向泄漏率的增加与随着孔数、方向因子和孔深的增加而增加.      

核主泵用流体动压型机械密封耦合模型与性能分析

以某型核主泵用流体动压型机械密封为对象,考虑密封环组件的接触和密封端面的流固耦合作用,建立了密封组件三维多场耦合模型,结合有限差分法和有限单元法,采用数值迭代技术进行了耦合场的计算.研究了高压下密封端面变形的特点和规律,分析了密封压力对密封性能的影响作用.结果表明:密封环端面产生径向收敛锥度和周向波度,高压侧密封深槽对密封端面周向波度的生成起重要作用,密封端面锥度的形成与密封环宏观结构密切相关.随密封压力的增大,密封端面收敛锥度和波度均增大,密封泄漏率增加,而端面摩擦系数减小.为在高压下形成较大的波度,建议将动压深槽加工在软质密封环端面上.     

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.     

高速气流阻塞效应对倾斜微孔端面密封动压特性的影响

以倾斜椭圆微孔端面为研究对象,考虑出口阻塞效应和入口压力损失,对高速气流润滑密封动压特性展开理论研究.采用数值方法重点分析不同密封压力、转速等操作参数和端面宽度等几何参数以及方向因子、倾斜角、孔深及面积比等微孔几何参数下,阻塞效应对开启力和泄漏量等密封特性参数的影响规律.结果表明:入口压力损失使入口处压力降低,出口阻塞效应使出口处压力抬升,导致端面开启力和泄漏量降低.随着转速和密封压力的增加,阻塞效应增强,与强制压力边界下的值相比,当密封压力为10 MPa,转速为50 000 r/min时,开启力降低可达5%以上,泄漏量可降低67%以上.当孔深取2~4μm,微孔倾斜角取20°~40°时较易获得优异的动压开启性能.     

螺旋槽端面微间隙高速气流润滑密封特性

考虑入口气流压力损失和出口阻塞效应,建立了微间隙端面高速气体润滑密封分析数学模型,对螺旋槽端面微间隙高速气流润滑密封特性进行研究.重点分析了不同密封间隙、密封压力和转速等工况条件下,入口压力损失和出口阻塞效应对开启力、泄漏率及气膜刚度等密封特性参数的影响规律.结果表明:高速气体阻塞效应使出口压力高于环境压力,压力损失使入口气膜压力下降,导致泄漏率和气膜刚度明显下降,并使开启力增加.随着密封压力和密封间隙的增加,阻塞效应增强,导致泄漏率和气膜刚度显著降低.密封压力10 MPa时,泄漏率降低可达20%,气膜刚度的下降可达30%以上.     

自泵送流体动静压型机械密封自清洁性分析

流体楔入式非接触机械密封在流体动压的形成过程中，为防止流体中固体颗粒对密封端面的损伤，需增设辅助系统以提供洁净的阻塞流体，这增加了密封初期建设和维护周期成本. 针对一种新型的泵出式自泵送流体动压型机械密封，应用Fluent中Laminar模型和DPM模型仿真研究了其在不同颗粒直径、转速、压差、液膜厚度和颗粒体积浓度下的自清洁特性. 结果表明:排屑率整体上随着颗粒体积浓度增大而减小；当颗粒体积浓度足够低时，排屑率均会达到60%以上；随着颗粒直径增大，排屑率先增大后减小，在直径0.7 μm时排屑最高达79.35%.；随着转速增大，排屑率先下降后显著上升，在计算的0~6 000 r/min范围内排屑率达到94%；排屑率受液膜厚度和压差影响较小.      

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.     

基于端面振动测量的机械密封摩擦学行为试验研究

针对接触式机械密封在运行过程中端面磨损引起性能退化缺乏有效的状态监测方法的问题，提出了用端面振动加速度测量机械密封摩擦学行为的方法.搭建了机械密封试验台，开展了机械密封摩擦学行为测试试验，采集了密封端面振动信号，提取了端面振动特征参数，探究了端面振动敏感特征参数随机械密封摩擦学状态的演变规律，基于试验数据构建了机械密封性能退化评价准则.结果表明：利用端面振动的监测方式可以实现机械密封的摩擦学状态监测；端面振动敏感特征参数模糊熵、均值和排列熵对摩擦学状态敏感；在密封介质压力一定的情况下，密封端面振动信号的模糊熵、均值和排列熵幅值随着机械密封转速的升高而升高，随着机械密封端面磨损程度的升高而升高；通过端面振动敏感特征参量可以表征机械密封的摩擦学状态.     

核主泵用双锥度端面流体静压机械密封热弹流效应研究

针对核主泵用双锥度端面流体静压型机械密封热弹流效应研究在高压和高速条件下,其密封性能易受端面热弹变形影响的特点,提出了收敛型双锥面流体静压型机械密封,并建立了热-流-固耦合数学模型;通过采用有限差分法求解端面温度和端面流体膜压的控制方程组,采用有限元法求解密封环的热、弹变形,对密封进行了流、固、热耦合分析,研究了热弹变形对密封性能的影响,并对单锥面和双锥面2种流体静压型机械密封的密封性能、温度分布进行了对比研究.结果表明:双锥面密封与单锥面密封相比,不仅稳定性更好,而且端面温度分布更均匀,可靠性更高,但是泄漏率略有上升;在泄漏入口处即高压侧,外锥面锥度的大小对开启力影响较大,而在泄漏出口处即低压侧,内锥面锥度的大小对泄漏率影响较大;内锥面宽度比取0.05左右时能获得较大的刚漏比.     

倾斜椭圆微孔端面上游泵送气体密封流体动压特性

对倾斜椭圆微孔上游泵送气体密封的流体动压特性开展研究,对转速、密封压力、密封间隙等不同操作参数和方向因子、倾斜角、孔深以及面积比等微孔参数对密封端面动压开启力和泄漏量进行了数值分析.结果显示:倾斜椭圆微孔上游泵送气体密封可产生明显的流体动压效应,文中计算条件下动压效应使得开启力的增幅可达50%;高速条件下,倾斜椭圆微孔上游泵送气体密封可形成完全的反向泄漏.     

基于软弹流润滑模型的液压格莱圈密封性能分析

基于软弹流理论建立了液压往复格莱圈密封的数值分析模型,该耦合模型包括流体力学、接触力学、变形和热分析.数值求解获得了密封区域的膜厚、流体压力和接触压力分布,以及单个行程的流量和活塞杆表面的摩擦力,揭示了液压往复格莱圈密封的密封机理.通过参数化进一步分析了不同密封表面均方根粗糙度、密封压力和往复速度对密封性能的影响.结果表明:在本研究中,密封区域表现为混合润滑状态,且以微凸体接触摩擦为主;较小的密封表面均方根粗糙度值具有较好的密封性能,增大密封压力会导致泄漏量和摩擦力均增加,而增大往复速度有利于减小泄漏量.     

新型自冲击密封的泄漏特性与封严机理初探

新型自冲击密封提出以来持续受到同行学者和行业专家的广泛关注和认可，本文中进一步通过对自冲击密封热力学效应及各类流场的剖析，建立起新型密封热力学效应与泄漏量的关系，从热力学角度分析了新型密封的流场特性与泄漏特性，研究了几何参数、工况参数、密封性能参数及其相互间的联系和规律.结果表明：建立的泄漏公式与仿真结果符合较好(变转速下误差为7.59%)，可以较好的反映热力学效应与泄漏之间的关系；当密封间距h≤200μm时，密封熵增效果随密封间隙变化最为明显；密封介质流入后温度呈逐级上升趋势，至密封出口处达到最高，出口温度随压力和密封间距的增大而增大，随着级数的增大而缓慢减小，转速对出口温度的影响较小.新型密封主要通过间隙内流体的冲击产热进行能量耗散并最终实现封严功能，如何泄压、控温及选择合适的耐高温材料是新型密封尽早实现工业化应用的关键.     

接触式机械密封混合润滑状态摩擦演化规律研究

接触式机械密封在运转中主要处于混合润滑状态，为探究其混合润滑状态下摩擦机理，结合粗糙面弹塑性模型，求解考虑密封端面粗糙度效应的雷诺方程，探究了转速和介质压力等工况条件对密封混合润滑状态密封摩擦参数的影响，推导了密封声发射波能量公式，将密封混合润滑状态分为磨损期和稳定期，应用1.5维谱理论提取密封特征频率，探究混合润滑状态摩擦演化规律.研究结果表明摩擦参数影响密封声发射波能量幅值且密封摩擦形式随混合润滑状态发生变化：在磨损期，微凸体接触特征频率幅值较大，密封端面间摩擦以微凸体接触为主；在稳定期，流体膜黏性剪切摩擦特征频率幅值变大，黏性剪切效应增强，密封端面只存在局部微凸体接触.所得结论对接触式机械密封混合润滑状态摩擦机理的研究具有一定的理论指导意义.     

机械密封织构化表面粗糙度效应的有限元模型与摩擦学特性分析

为研究粗糙度效应对机械密封织构化端面承载能力、摩擦学特性以及密封性能的影响，基于有限元法建立了机械密封的混合润滑模型，针对确定性非高斯随机分布粗糙表面，考虑润滑液膜的宏微观空化作用和粗糙峰的接触，研究了圆孔型织构化机械密封的摩擦学性能和密封性能. 结果表明:平衡状态下处于全膜润滑区间的非高斯型粗糙织构表面，在研究范围内均方根值越大的表面其减摩效果越好，且泄漏率越大，从混合润滑区到全膜润滑区转变的速度也随之增大；非高斯表面的偏态值和峰态值对密封表面的承载能力，润滑性能以及密封性能有影响，但无明显规律；在混合润滑区，圆孔织构具有增摩效果，而在全膜润滑区表现出减摩效果.      

惯性效应对超高速倾斜端面气膜密封稳动态特性影响

研究了惯性效应和端面倾斜对超高速气膜端面密封稳动态特性的影响. 考虑气体惯性效应，建立了气膜端面密封稳动态特性数值分析模型，采用有限差分法求解稳态和微扰雷诺方程，获得端面膜压分布. 数值分析了惯性效应和端面倾斜度对开启力、气膜刚度和泄漏率等稳态性能参数以及刚度系数和阻尼系数等动态特性系数的影响规律，并以获得较大刚度系数为目标，获得了螺旋槽关键几何参数的优选值范围. 结果表明:在超高速条件下，考虑惯性效应后的干气密封泄漏率显著减小，刚漏比明显增大，而开启力、气膜刚度和动特性系数变化不大；倾斜端面气膜密封相较于平行端面气膜密封具有更佳的低频刚度和高频阻尼.      

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.     

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.