基于平均膜厚和压力流量因子的机械密封泄漏分形模型

研究接触式机械密封端面泄漏模型建立问题.采用分形参数表征机械密封端面形貌,通过引入压力流量因子来反映实际粗糙表面对泄漏通道的影响,推导出了压力流量因子的分形表达式,建立了基于平均膜厚和压力流量因子的泄漏分形模型.通过理论计算对机械密封泄漏率的影响因素进行了分析,并在自制的试验装置上对2套B104a-70型机械密封进行了试验,试验密封流体为20℃清水,压力为0.5 MPa,转速为2 900 r/min,弹簧比压分别为0.15和0.30 MPa.研究结果表明:泄漏率随着弹簧比压的增大略有下降,随着密封流体压力及转速的增大而增大,且端面越粗糙增大的幅度越大;当端面较粗糙时,泄漏率随着端面分形维数的增大或特征尺度系数的减小而迅速减小,而当端面较光滑时,泄漏率的变化很小;泄漏率的理论计算值与试验值吻合较好,特别是在进入正常磨损阶段后相差很小.     

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%.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

仿鸟翼微列螺旋槽干气密封性能分析与选型

为改善单向螺旋槽干气密封在高速条件下存在的泄漏率高、稳定性欠佳等问题,提出一种仿鸟翼微列螺旋槽端面干气密封结构.基于气体润滑理论,建立仿鸟翼微列螺旋槽的端面几何模型和数学模型,数值分析周向开槽宽度和径向开槽宽度对轴向气膜刚度和泄漏率等密封特性参数的影响规律,给出仿鸟翼微列螺旋槽主要结构参数的优选值范围.在不同压力、线速度和膜厚条件下对比分析仿鸟翼微列螺旋槽干气密封与普通螺旋槽干气密封的开启力、轴向气膜刚度、泄漏率和刚漏比等密封特性,给出不同工况条件下两种型槽干气密封的密封性能等值线图.结果表明:在高速低压条件下,相较于单向螺旋槽干气密封,仿鸟翼微列螺旋槽干气密封的密封性和稳定性都有显著提升,其轴向气膜刚度增幅达到30%,泄漏率降幅达到10%.仿鸟翼微列螺旋槽干气密封性能等值线图的提出可为其工程选型及优化设计提供指导和借鉴.     

带内环槽的螺旋槽干式气体端面密封的静压性能

针对现场使用的带内环槽的螺旋槽干式气体端面密封,建立了用于预测其端面气膜压力的等温可压缩流二维雷诺方程,在只考虑静压效应的条件下应用有限元法计算了端面开启力、泄漏率、气膜刚度和刚漏比等密封性能参数,并与典型螺旋槽干式气体端面密封（S-DGS）进行了比较.结果表明：与S-DGS相比,前者具有更好的稳定性、润滑性能和开启特性.以获得最大刚漏比为优化原则,综合考虑密封的稳定性、密封性和开启特性,获得了带内环槽S-DGS在静压作用下的端面规则微槽几何参数的优选值,研究结果对有关密封的设计与选用具有指导意义.     

机械密封补偿机构中辅助O形密封圈的性能分析

采用有限单元法建立了机械密封O形辅助密封圈的数值分析模型.利用非线性有限元软件MSC.MARC计算了VonMises应力和接触密封界面之间的接触应力.采用高频疲劳试验机和高压水润滑O形密封圈试验单元组成的试验装置测得了摩擦力,并结合数值计算结果求得了摩擦系数.分析了O形辅助密封圈的压缩量及滑移速度对摩擦力的影响,讨论了O形辅助密封圈对机械密封的密封能力、泄漏特性的影响.结果表明:O形密封圈用于机械密封中的补偿机构会有微量泄漏;水润滑状态下接触密封界面能形成润滑水膜,摩擦力较小,有利于密封稳定运转.     

考虑弹塑性变形阶段的干气密封接触模型

为探究干气密封摩擦界面在变形全阶段的接触特性,基于分形接触理论及微观接触力学理论,充分考虑微凸体变形的3个阶段,通过余弦函数构建干气密封全阶段接触模型,并分别与GW模型、KE模型和ZMC模型三种经典接触模型及相关文献的试验数据作对比,验证本文中接触模型的合理性与正确性.最后对干气密封摩擦界面接触特性的主要影响因素进行探究.模型研究结果表明：干气密封摩擦界面的接触特性与分形维数、特征尺度及两表面的真实接触面积有关.接触特性与分形维数和两表面真实接触面积呈正相关,与特征尺度呈负相关.分形维数越大,接触载荷与接触刚度的数量级就越大,且接触载荷变化范围相对较大.当特征尺度每次以1个数量级递增时,接触载荷与接触刚度的变化范围较小,都在1个数量级内.     

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.     

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.     

液膜润滑机械端面密封流体动压沟槽侧壁效应研究

针对非接触机械密封端面开槽后所出现的膜厚不连续处存在的侧壁效应,在沟槽边界处将广义伯努利方程引入传统润滑方程,建立了考虑动压沟槽侧壁效应的液膜润滑螺旋槽端面机械密封数值分析模型. 采用有限单元法结合拉格朗日乘子法求解润滑方程,研究了不同螺旋槽几何参数和工况条件下沟槽侧壁效应对密封性能的影响. 结果表明:数值模型可方便捕捉沟槽边界处的压力跃变,侧壁效应在不同螺旋槽深度下表现出截然不同的影响规律,高转速、大螺旋角和小密封间隙下动压沟槽的侧壁效应较为显著. 理论模型和计算方法可为超高速工况螺旋槽机械密封的设计和局部惯性效应的研究提供指导.      

考虑磨损的接触式端面密封模型及试验

针对油润滑窄端面接触式端面密封,建立了考虑端面稳定磨损的密封性能分析模型. 基于流体承载和固体接触承载共同平衡闭合力的传统思路,引入Archard磨损模型,创新性地提出沿窄端面径向方向磨损均匀假设,从而使用半解析方法得到近似固体接触力、流体承载力及介质膜厚分布. 在此基础上耦合密封环组件力和热变形,最终得到密封泄漏量、端面温度等性能参数. 相应台架试验结果也较好地验证了模型的正确性. 所建模型对于窄端面接触式端面密封的性能分析和密封优化设计具有指导意义.