基于热流固耦合的液膜密封动态追随性分析

为研究热流固耦合下液膜密封动态追随特性,基于小扰动法及热动力润滑理论,考虑非补偿环轴向振动、角向偏摆,建立补偿环三自由度运动方程,对比并分析纯流场和热流固耦合模型下力学元件参数、操作工况参数、结构参数对动态追随性的影响。结果表明:在热流固耦合模型下求解的液膜密封扰动量略小于纯流场模型下求解的扰动量;增加激励振幅,弹簧刚度和O型圈阻尼均会导致扰动增大,动态追随性变差;减小转速、增加介质压力会导致动态特性系数增加,有利于提高动态追随性;减少槽数会提高动态追随性,且在槽数给定时,槽深17μm,槽坝比0.8,螺旋角22°的结构参数设定会得到更好的动态追随性。

涡轮泵用不同槽型流体动压型机械密封运行特性对比研究

针对火箭发动机低温介质涡轮泵端面密封的泄漏突增问题,基于工程经验提出激光脸(槽深3、5μm)和螺旋槽3种槽型结构,并与原使用的雷列槽进行端面流场与密封性能对比分析,同时对4种槽型结构进行密封动态追随性比较分析。结果发现:低温介质下雷列槽端面密封流体动压较弱,影响端面开启的主要因素为流体介质静压力;在转速和压力增大的条件下雷列槽存在负动态刚度系数,角向的稳定性较差,存在泄漏风险;激光脸泄漏量较低且处于混合润滑状态,不会因密封端面脱开而引起密封动态不稳定;槽深5μm与槽深3μm激光脸相比有更大的开启力与较低的相变率,综合性能更优;螺旋槽结构动压效应较强,其开启力随转速和压力的线性变化都保障了密封环的追随性;螺旋槽结构具有较强变工况适应性,但泄漏量水平始终较高。

高压混相激光脸浅槽机械密封润滑状态转变特性及密封性能分析

以激光脸浅槽微接触式密封为研究对象,求解考虑混相介质特性和密封端面粗糙度效应的雷诺方程,通过分形接触理论求解微凸体接触力,利用不同微凸体接触状态下求解出的液膜承载系数对混相微接触式机械密封混合润滑状态进行分级,探究了压力及转速等工况条件和开槽形式对密封的润滑状态转变的影响规律.结果表明:混相微接触式机械密封混合润滑状态可分为弹性混合润滑状态、弹塑性混合润滑状态和塑性混合润滑状态3个级别;随着转速升高,液膜承载力不断增大,微凸体接触力逐渐趋向于0,密封环分开实现非接触,此时液膜承载系数为1;压差和槽深越大、混相介质气相容积比越高,矩形槽角度和周期数越小,临界转速越大,润滑状态更稳定,摩擦副分离越困难.

多相混输泵用超高压机械密封性能研究

针对超高压混输泵机械密封易磨损失效的问题,介绍了端面槽加工和涂层应用两种策略,用热流固耦合分析方法,分析了浅槽微接触式机械密封在实际应用中的温度分布和端面变形情况,阐述了表面涂层技术的应用,进行了一系列机械密封性能的试验研究。研究结果不仅证实了这些技术在提高机械密封寿命和可靠性方面的有效性,还证实了端面开槽和涂层技术在降低摩擦、改善耐磨性能方面的显著效果。为超高压混输泵机械密封系统的设计和优化提供了重要的理论依据及实践指导。

基于柔性转子的液膜密封稳态性能研究

为了研究转子柔性状态下动力学特征对航空发动机附件机匣轴端液膜密封的影响,结合转子的振幅、弯曲角度和热流体动力润滑理论,建立了柔性转子-液膜密封稳态分析模型,探究柔性转子-液膜密封的成膜机理,研究偏心量、倾斜角度、结构参数和工况参数对液膜密封性能影响规律。结果表明:当动环发生偏心时,液膜压力分布呈现不均匀性,随着偏心量由0.1 mm增至0.5 mm时,密封泄漏量上升了11.84%;倾斜角度的增加在一定程度上可以减弱膜压不均匀性,但对密封性能的影响不明显,当倾斜角度从1×10^(-5) rad升至3×10^(-5) rad时,泄漏量仅增加2.1%;在工况参数不变时,适当减少螺旋槽数,并选取合适的螺旋角度,可以有效抑制泄漏现象;在相同的结构参数条件下,适当降低转速及压差可以有效降低泄漏量;基于柔性转子的液膜密封由于较大偏心量的存在,会导致密封性能下降,此外,高转速与大压差会进一步增加泄漏量,工程应用中可通过减少槽数,修改螺旋角度的方式抑制泄漏。研究可为液膜密封的优化设计提供理论依据。

接触式机械密封稳态摩擦特性研究

接触式机械密封在运转中主要处于混合润滑状态,其端面间隙与表面粗糙度处于同一数量级。为探究混合润滑状态下接触式机械密封的摩擦磨损特性,分析端面温度和摩擦扭矩等性能参数受工况参数的影响规律,结合平均雷诺方程以及ZMC接触模型,求解混合润滑端面间的接触特性,建立混合润滑磨损模型,研究接触式机械密封在润滑条件下,摩擦特性参数随操作参数的变化规律,开展了相应的试验研究,并对理论分析结果进行验证。研究结果表明:随介质压力增加,微凸体接触力占比增加,通过改变端面间接触状态来改变摩擦状态;随转速增加,端面间接触状态不变,但转速加大了端面间磨损距离与温度,进而导致磨损加剧;在压力影响试验中,密封环温度和密封腔温度随压力变化成正比,且每次压力变化都使得密封环温度产生阶跃变化。所得结论对机械密封因过热和磨损导致的失效现象分析具有一定的理论指导意义。

接触式机械密封启停过程摩擦特性实验研究

为探讨接触式机械密封启停过程摩擦状态的转变特性,采用自主研发的摩擦磨损实验装置,对碳石墨-碳化硅配副材料的摩擦特性进行实验研究。通过采集启停过程中的声发射信号以及摩擦扭矩数据,分析二者之间的关联性,研究启停过程中端面摩擦状态的转变特性。结果表明:在启停阶段,声发射信号均方根值与摩擦扭矩值变化趋势相同,均为先增大后减小,最后再增大至一稳定值,二者具有很强的相关性;研究的配副材料在7 s左右出现声发射信号峰值,表明此时发生从干摩擦状态到混合摩擦状态的转变;稳定阶段的声发射信号以及摩擦扭矩值分别与转速、压力呈正比关系。

浸渍石墨配对9Cr18密封摩擦副的摩擦特性

针对无压喷油运行工况下机械密封端面磨损严重问题,基于多功能摩擦磨损试验机开展浸呋喃树脂石墨M180K和浸锑石墨M181D配对9Cr18金属环的摩擦磨损试验。探讨操作工况参数轴向载荷和线速度对浸渍石墨摩擦因数和摩擦扭矩两摩擦特性参数的影响,对比研究不同摩擦状态下线速度对两摩擦特性参数的影响,并基于三维形貌仪采集2种浸渍石墨试验前后的表面形貌。结果表明:低黏油润滑工况,一定范围内提高pv值有助于减小浸渍石墨摩擦因数,但轴向载荷的增加提高了摩擦扭矩;而较大轴向载荷时,增加线速度有助于减小摩擦扭矩;相同操作工况和摩擦状态下,浸锑石墨摩擦因数显著小于浸呋喃树脂石墨对应值且表面磨损轻微;相比而言,浸锑石墨的耐磨性更优异,更适用高参工况。

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.

基于声发射时频分析与卷积神经网络的液膜密封摩擦状态识别

针对液膜密封状态监测领域无损监测开发不足、信号特征评估困难以及摩擦状态判别智能化特性缺乏的问题,提出一种基于声发射时频分析与卷积神经网络的液膜密封摩擦状态识别方法。该方法将声发射无损监测技术应用于液膜密封的摩擦状态监测,卷积神经网络作为液膜密封摩擦状态自主决策的实现手段,声发射信号的时频信息作为卷积神经网络的特征输入,分析短时傅立叶变换、S变换以及小波变换3种时频分析方法对卷积神经网络识别性能的影响。结果表明:对于液膜密封的声发射信号,3种时频分析方法与卷积神经网络结合的优选顺序为:短时傅立叶变换、S变换、小波变换;基于声发射时频分析与卷积神经网络的液膜密封摩擦状态识别方法准确率较高,相比其他识别方法取得了较好的识别效果。

涡轮泵用球面装配机械密封热变形及磨损特性实验研究

以少量常压煤油介质条件下涡轮泵用球面装配机械密封为对象,通过实验测试分析端面磨损形成机理。设计实验工装,实现金属环截面9点温度矩阵和石墨环座3位置轴向位移的测试,得到两种弹簧力条件下温升和位移演变数据,并对磨损端面进行光学显微观测和径向轮廓测量。结果表明:磨损深度以内径处最大,至靠近外径处一定宽度内无磨损;随转速的升高密封环轴向及径向温度梯度不断增大;两工况下密封环倾转热变形造成的端面间隙锥度约为2.5 mrad和7.5 mrad。对于该型式密封,有必要通过端面开设流体动压槽以形成主动泵入润滑等方法来改善流体静压润滑效应缺失造成的严重磨损。

喷油润滑型激光脸机械密封试验研究

针对航空发动机附件机匣传动轴端机械密封易提早失效的问题,提出在其端面开设激光脸槽型的改进方法,采用试验手段研究在喷油润滑条件下,激光脸机械密封的摩擦磨损特性、热特性及泄漏情况。自主设计可模拟喷油润滑工况的机械密封试验工装,定制可进行润滑油加热的集成型液压站作为辅助系统,分别进行变工况运转试验和长时稳态工况试验。结果表明:在变工况以及稳态工况运转条件下运转后动、静环端面均无明显磨损;在介质温度较为稳定的情况下,动环和轴套温度均能保持稳定;在整个试验过程中,机械密封均无泄漏发生,表明激光脸机械密封在喷油润滑工况下具备良好的热特性和密封效果。

液黏离合器旋转动密封泄漏特性试验研究

为探究并改善液黏离合器旋转动密封的泄漏特性,采用Tr1-6Kr-22A变速试验台开展其密封性能试验,对比分析操作参数和结构参数对各个泄漏通道泄漏量的影响规律。结果表明:操纵油泄漏量整体偏大,润滑油泄漏通道受压力影响最小;随着操纵油压力的增加,各泄漏通道泄漏量亦随之上升,但高压工况下泄漏量增势平缓;各泄漏通道泄漏量与转速存在正相关关系,但油压对密封泄漏量影响较转速更为明显;密封环带宽度对泄漏量影响较大,较宽的密封环带可有效降低密封总体泄漏量;采用较宽密封环带的试验工装各个通道泄漏量最小,且受操作参数影响较小,适用于压力波动较大的场合,而在转速波动较大时密封泄漏量出现阶跃特性。

基于SVD-AVMD的液膜密封声发射特征提取

将声发射技术应用于液膜密封端面状态监测时,声发射信号易受噪声影响、特征信号难以提取,为此提出一种基于奇异值分解和自适应变分模态分解(SVD-AVMD)的信号处理方法。该方法首先以奇异值分解消除信号中的随机强噪声影响,获取降噪信号,然后在不同模态数下对降噪信号作变分模态分解,并计算各模态分量与降噪信号之间的显著性水平,以显著性水平大于阈值作为分解的停止准则,最终达到获取最优模态分量的目的。结果表明:SVD-AVMD对各模态分量中心频率的捕捉能力以及对各模态分量的恢复效果均明显优于单纯的变分模态分解,能够滤除背景噪声的同时最大程度地保留有效信息;获得表征液膜密封端面状态的声发射信号,实现了对液膜密封端面状态的识别。

考虑惯性效应的超临界二氧化碳干气密封动态特性研究

为了分析惯性效应对超临界二氧化碳干气密封动态性特性的影响规律,建立考虑惯性效应的变黏度变密度螺旋槽干气密封动态特性数学模型,采用有限差分法和小扰动法求解超临界二氧化碳干气密封动态特性参数,分析操作工况远离及靠近临界点时,超临界二氧化碳干气密封动态特性变化规律及惯性效应对其影响程度。结果表明:无论操作工况是否靠近临界点,动态特性系数都随压力的增大而增大,动态刚度系数随转速的增大而增大;动态阻尼在近临界点随转速的增大而增大,远离临界点则相反;考虑惯性效应时的动态特性系数比不考虑惯性效应时的偏低;操作工况近临界点时,惯性效应不可忽略,远离临界点时,惯性效应可忽略不计。

基于空化的液膜密封热流体动态特性分析

通过有限元法对动态雷诺方程和液膜能量方程进行推导求解,建立了考虑流体热效应和空化效应的液膜密封动态特性模型,分析了槽数、槽深、转速以及压力对液膜密封动态特性参数的影响。结果表明:在考虑空化及热黏的条件下,各角向之间的相互影响较弱,耦合角向系数小于正角向及轴向系数;刚度系数的绝对值会随着槽数、槽深、转速和压力的增加而增加;阻尼系数的绝对值会随着转速和压力的增加而增加,随着槽数和槽深的增加而略有减少;槽数、槽深、转速和压力的增加均会使液膜的抗干扰能力增强。

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。

枞树型槽上游泵送机械密封稳态特性数值分析

针对电机轴承密封可靠性差的问题,提出一种适用于电机的枞树型槽上游泵送机械密封。在MATLAB环境下求解液膜稳态雷诺方程,得到枞树型槽上游泵送机械密封端面液膜压力分布,分析端面结构参数如槽深比、螺旋角、槽坝比对密封稳态特性的影响规律,并给出枞树型槽结构参数的设计优选范围。结果表明:该机械密封具有较好的动压效应;随着槽深比的增加,开启力、泵送量和液膜刚度均先增大后迅速减小,摩擦因数则缓慢增大;随着螺旋角的增大,开启力和泵送量逐渐减小,刚度先增大后减小;随着槽坝比的增大,开启力和泵送量增加,摩擦因数增大,刚度先逐渐增大而趋于稳定;槽深比和螺旋角对枞树型槽上游泵送机械密封的稳态特性影响较大,而槽坝比的影响较小;取槽深比1. 0～4. 0、螺旋角15°～25°、槽坝比1. 5～2. 5时,机械密封可获得较大开启力和液膜刚度、较小摩擦因数等较好的综合性能。

声发射在密封监测领域的研究进展

将声发射无损检测技术应用到机械密封监测中是密封领域新的发展方向。从实验研究和理论研究两方面综述声发射在密封领域的研究进展;从早期的实验探索到后期的信号降噪、信号分析和信号识别等方面总结各阶段的研究成果,并且介绍机械密封相变实验研究;展望基于声发射的机械密封监测技术的未来发展方向,如将大数据技术应用到声发射信号的处理分析,探索声发射技术在机械密封不同方向监测的应用,如液膜相变的监测等。

“化工装备密封技术”课程教学软件开发与应用

在Matlab环境下开发了一个非接触机械密封教学软件,该软件通过求解雷诺方程,实现了螺旋槽密封、人字槽密封、枞树槽密封性能的数值模拟。学生可在软件中输入结构参数与操作参数进行分析,获得直观的计算结果展示。相对于传统教学方法,该教学软件具有良好的可视化效果,扩展能力强,操作简单等优点。有助于加深学生对非接触机械密封中概念与理论的理解,激发学生的学习兴趣和提高教学效果,值得在"化工装备密封技术"教学中进行推广。