高分子材料机械密封磨损特性及表面织构的影响

为提高金属/高分子材料机械密封的抗磨损性能,采用光刻-电解技术在316不锈钢表面制作微凹坑阵列形式的表面织构,与5种不同弹性模量的高分子材料组成摩擦副进行磨损试验.试验结果表明,对弹性模量最小的UHMWPE材料,表面织构起到了增磨作用,对其他四种弹性模量较高的材料,表面织构起到减磨作用,而且,随着高分子材料弹性模量的增大,表面织构表现出的减磨作用也随之增大.为解释这个现象,利用ANSYS有限元分析软件对摩擦副接触面进行了应力和变形分析,结果表明:织构化表面在接触过程中会产生应力集中和表面形变,材料的弹性模量越小,凹坑引起的变形越明显,可能产生的切削作用越显著.     

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.     

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.      

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.      

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.     

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.     

核主泵静压型轴封系统二级密封机理研究

核主泵轴密封是核电设备的关键部件之一,探究其密封机理,实现国产化设计,具有重大意义.核主泵静压型轴封系统二级密封一般设计为一级密封失效时承受全部载荷.所研究的二级密封结构全压差(15.5 MPa)工作时的密封机理尚不明确.本文中采用流固耦合模型研究了一级密封失效时,二级密封的工作机理.结果表明:一级密封失效时,二级密封是非接触式静压型密封.在压差和动环变形环板变形产生的力的共同作用下,密封端面形成锥角为1 300.9μrad的收敛间隙;当入口水温65℃时,泄漏率为1 867.8 L/h.动环变形环板的变形有阻碍动环变形锥角增大的作用.动环变形环板厚度越大,密封泄漏率越大.密封介质入口温度以及材料的摩擦性能对密封性能亦有影响.此外,一级正常工作时,二级密封是接触式形式,采用混合润滑模型对其性能作了分析,分析表明一级密封正常工作时,二级密封压差约为0.17 MPa,密封为混合润滑状态,泄漏率为11.4 mL/h,端面温升23.9℃.     

似叠罗汉槽干气密封的结构优选与性能研究

针对现有干气密封在高速条件下所存在的泄漏率大、气膜刚度不足等问题,在干气密封螺旋槽结构的基础上,基于叠加组合思想提出一种似叠罗汉槽端面密封结构.基于气体润滑理论,建立了似叠罗汉槽端面的几何模型和数学模型,采用有限差分法求解二维稳态雷诺方程,获得了密封端面压力分布.以气膜刚度最大作为优化目标,对比分析了不同结构型式的优选叠加组合槽干气密封与普通螺旋槽干气密封的密封性能参数,数值分析了周向槽宽比、径向槽宽比和槽深比等结构参数对似叠罗汉槽干气密封性能的影响规律,获得了似叠罗汉槽主要结构参数的优选值范围.结果表明:在高速低压条件下,相较于普通螺旋槽干气密封,似叠罗汉槽干气密封在泄漏率基本不变的同时能显著提升气膜刚度,综合密封性能显著提升,且转速越高,压力越小,这种性能优势越明显.     

机械密封三维稳态模型及密封性能分析

针对接触式机械密封,建立了包括轴向模式和角向模式的三维稳态力学模型,考虑密封环端面接触及液膜空化,提出了数值求解方法,计算了在稳定工况下的泄漏率、液膜厚度、液膜压力和接触压力的分布形式,分析了动环初始安装误差,端面锥度等因素对接触式机械密封端面三维位置关系的影响.结果表明:初始安装误差、端面锥度对接触式机械密封的性能影响较大.所建数学模型和相关计算方法对接触式机械密封的优化设计具有一定的指导意义.     

Optimization of Forced Convection Heat Transfer in a Composite Porous Medium Channel

The optimization of heat transfer for forced convection in a composite porous channel was studied. We investigated the question where should one place, in the core or in the sheath, the material with high permeability and high-thermal conductivity and where should one place the material with low permeability and low-thermal conductivity, to maximize heat transfer from the walls. We also investigated the optimal heat transfer situation when one has the freedom to vary the relative volumes of the core and the sheath.     

相变传热问题的灵敏度分析与优化设计方法

研究了相变传热问题的优化设计及其灵敏度分析方法. 在有限元-时间差分和等效热容 法求解相变温度场的基础上,提出了相变温度场对设计变量一阶灵敏度的计算方法,给出直 接法和伴随法两种计算格式并分析了它们的特点,建立了相变温度场优化的模型和算法,在有限元分析与优化设计软件JIFEX中实现了该方法. 数值算例表明了灵敏度计算的精度和优 化方法的有效性.     

激光多孔端面气体非接触机械密封稳定性分析

基于气体润滑理论,采用与螺旋槽端面密封的对比分析方法,研究了均匀分布激光加工多孔端面气体非接触机械密封的稳定性,数值分析了密封间隙、不对中角度和外界扰动对开启力、泄漏量、气膜刚度以及密封间隙扰动振幅等密封参数的影响规律.结果表明:多孔密封中的动压效应微弱,开启力与气膜刚度与转速无关,密封端面开启时容易发生接触磨损;多孔密封端面压力分布均匀,不对中引起的开启力波动幅度小,但是角向容易产生自激振动,密封环外侧容易发生接触磨损;多孔密封轴向气膜刚度较小,具有更小的扰动振幅,密封端面开启后有利于保持密封间隙的稳定,减少密封端面的接触摩擦.     

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.      

土遗址楠竹锚固界面力学行为与传力机理研究

楠竹锚固技术是处理纵向裂隙引起的大型土遗址稳定问题的重要手段,但此类锚固系统传力机理尚不明确,成为制约其科学化、规模化应用的瓶颈。通过现场拉拔试验研究锚固界面力学行为,将识别出的完全脱粘现象通过摩擦段后的零剪应力段进行表征,建立适用于此类锚固界面的修正三线型粘结-滑移模型。在此基础上,提出基于ANSYS中非线性弹簧单元的锚固界面力学行为数值模拟方法,系统研究锚固系统传力机理。最后,通过与试验结果的对比验证了该模拟方法的可靠性。结果表明：锚杆/浆体界面的滑移失效是锚固系统破坏的主要原因,此类界面微段的受力过程可分为弹性、软化、摩擦和完全脱粘四个阶段,随荷载增加锚固界面高应力区逐渐由加载端向锚固端转移,界面进入完全脱粘阶段后剪应力趋近于零,极限锚固力和有效锚固长度均存在临界值;第一锚固界面传递至第二锚固界面的剪应力非常有限,遗址土体应力处于较低水平。研究结果能够为基于“安全第一,最小干预”原则的土遗址文物锚固优化设计提供参考。     

核电690合金传热管微动疲劳试验及损伤机理分析

核电蒸汽发生器传热管在微幅磨损与交变载荷的作用下形成微动疲劳,导致其表面裂纹萌生和扩展乃至破裂,从而影响反应堆的安全. 为研究径向载荷以及轴向交变应力对690合金管微动疲劳寿命的影响规律,开展690合金管管材的微动疲劳试验,获得690合金管管材的微动疲劳寿命曲线,并与相关研究数据进行对比分析,以便探讨材料在微动疲劳下的寿命模型. 对不同载荷下的690合金管试样的磨痕表面进行三维形貌和扫描电镜观测,分析磨损表面的损伤机理;对不同载荷下的690合金管试样断口的宏观与微观形貌进行表征,分析裂纹萌生、起裂过程及其失效机理. 结果表明690合金管与403不锈钢(SS)抗振条间的磨损机理为剥层及磨粒磨损;690合金管在径向载荷作用下于微动磨损处产生裂纹源,裂纹在轴向交变应力的作用下不断向内部扩展,最终导致断裂;其断裂形式为解理疲劳断裂.