高压自紧式聚酰亚胺垫片密封性能影响因素分析及结构优化

为了解决液体火箭发动机在异常工况下的密封失效问题,建立了发动机充气阀阀芯密封结构的有限元模型,分析了密封结构参数、加工误差及卡滞偏斜对充气阀阀芯密封性能的影响,并进行了试验验证。结果表明:综合考虑可加工性、密封效果,圆阀座是充气阀的首选结构;在不同圆角半径下,圆角半径在0.35~0.45 mm范围内使用效果最佳;平面度偏差及卡滞偏斜在0~0.07 mm范围内对密封效果和使用寿命几乎没有影响。本研究可为航天军工用高精密密封的设计和优化提供参考,有助于提高我国高精密密封的技术水平。

光滑环形液体密封流态演变规律及静态稳定性研究

光滑环形密封静态刚度系数直接影响转子系统稳定性。为探究影响光滑环形液体密封的静态失稳机制及影响因素,应用计算流体力学方法建立光滑环形液体密封模型,研究密封在不同流动状态(层流、过渡流和湍流)、偏心率、进出口压力和转速下流动特性。结果表明:黏性效应是导致层流到过渡流状态下直接静态刚度先减后增主要原因;在过渡流和湍流中,黏性和惯性效应会使高偏心率下密封产生的气流力和刚度系数均为负值;随雷诺数增加,密封静态稳定性降低。

基于旋转式线结构光和机器视觉的大型法兰平面度测量方法研究

针对目前难以对大型法兰平面度进行现场测量的问题,设计并搭建了一种基于旋转式线结构光和机器视觉的大型法兰平面度测量系统。首先,利用张正友标定法对相机进行标定,并采用高斯滤波与最大极值稳定区域相结合的算法(M-Steger)提取亚像素级激光条中心点。其次,以激光条中心点提取结果为基础,利用交比不变原理对光平面进行标定,从而得到相机和激光器之间的位置关系。再次,通过旋转标定,将坐标系统一到同一个坐标系下,完成线结构光传感器的标定。最后,通过线结构光三维重建得到法兰上表面点云,采用最小二乘法进行点云拟合进而计算法兰平面度。实验结果表明,M-Steger法对激光条中心点的提取精度可达10μm,抗噪性较强。法兰平面度的测量误差最大值为0.17 mm,可以满足法兰平面度现场测量需求。

高速轴承腔回流泵送密封全周期运转特性分析

针对高速轴承腔回流泵送密封启停阶段和高速状态不同的运转特性,对其全周期运转工况进行研究。应用有限元热流固耦合数值分析方法,建立高速轴承腔回流泵送密封分析模型,研究回流泵送密封的泄漏量、温度分布和端面变形在全运转周期转速内的变化情况;搭建高速轴承腔回流泵送密封试验台,得到其泄漏和温升情况并验证数值分析结果。结果表明:回流泵送密封可有效实现全运转周期的密封效果,其中低速运转时仅出现微量泄漏,高速运转时为零泄漏;动静环接触位置温度最高,端面外侧温度下降较快,低速运转时温升速率较快,达到临界开启转速时温度呈下降趋势;超过临界开启转速后,随转速继续增加温度缓慢上升,高速运转温度低于低转速情况;动静环端面内侧变形较大,动环变形量大于静环,端面变形随转速变化趋势与随温度变化趋势类似,高速运转下端面变形小于低转速下。研究结论为高速轴承腔回流泵送密封的分析与试验提供参考。

一种基于融合特征聚类和随机配置网络的轴承剩余寿命预测方法

针对轴承剩余寿命(remaining useful life,RUL)预测中故障始发时刻(first predicting time,FPT)基于人为主观选择以及预测滞后带来的维护风险的问题,提出了一种基于融合特征和随机配置网络(stochastic configuration networks,SCNs)的轴承剩余寿命预测方法。首先,采用互补集合经验模态分解(complementary ensemble empirical mode decomposition,CEEMD)对原始轴承水平振动信号进行分解,再提取其时域、频域信号,构建融合特征。最后,使用小波聚类划分健康状态,找到合适的FPT,并结合能反应轴承退化的特征构建健康数据集,通过SCNs网络离线建模进行预测,并根据拟合曲线的斜率以及RMSE指标对预测结果进行校正。通过实验分析,所提方法的综合得分高达0.83,误差百分比的平均绝对误差(mean absolute deviation,MAD)和标准偏差(standard deviation,SD)分别为5.26和3.38;与其他预测方法相比,本文所提方法有较高的预测精度。

密封结构参数对安全阀磁流体密封压力的影响

为探讨安全阀磁流体密封性能与结构关键参数的关系,以安全阀磁流体密封装置作为研究对象,利用有限元分析软件计算出密封间隙内磁感应强度变化值,计算在不同密封结构关键参数下密封间隙内耐压值并对其进行分析,最终得到各参数之间的相互关系从而为提高密封能力提供指导。研究结果表明:当极齿齿槽宽度为3mm时,密封压力最大值在极齿宽度2mm处;当极齿宽度为3mm时,密封压力最大值在齿槽宽度2.5mm处;将矩形极齿改为单侧斜角极齿30°,密封压力会整体上升且最大值在极齿齿槽宽度3mm、极齿宽度1.5mm处;改变剩磁大小会影响磁感应强度但磁感应强度差值不变,对于密封压力最优值没有影响。这些规律为安全阀磁流体密封装置的设计提供了理论参考。

基于ANSYS的膨胀管膨胀过程力学研究

为了研究膨胀管在均布挤压载荷作用下的应力、应变情况,采用有限元软件ANSYS Workbench对膨胀管膨胀过程进行显示动力学仿真模拟。膨胀锥在不同载荷作用下对膨胀管挤压,使其发生弹塑性变形。膨胀管受到膨胀锥的挤压力作用与套管密切接触,达到了对套管的修补和密封作用。通过分析膨胀管的膨胀过程获得了膨胀套管装配体不同零件的应力、应变云图结果和对应的应力、应变曲线变化情况,从而为实际工程应用提供有价值的理论参考。

双端面机械密封在双螺杆原油泵上的应用

基于原油库拆建工程项目,对双螺杆原油泵原采用的单端面金属波纹管机械密封改造为新型的带泵效环的背靠背双端面机械密封,并配套冷却循环辅助系统,经现场工业考核,背靠背双端面机械密封在双螺杆原油泵上得到良好应用。结果表明,新改造的双端面机械密封彻底解决了原密封存在的摩擦副磨损严重、泄漏量大、使用寿命短等问题,实现了工艺介质的零泄漏并确保设备长周期安全稳定运行。

掺氢天然气干气密封启动特性研究

为评估天然气掺氢对管线压缩机轴端干气密封性能的影响,提出一种考虑阻塞效应的干气密封性能数值预测模型,分析了不同掺氢比下干气密封的静态特性和启动特性。首先,采用空气介质螺旋槽干气密封的气膜压力分布和开启力实验数据,验证了数值模型的可靠性;然后,针对GE PCL800机型天然气管线压缩机螺旋槽干气密封,分析了4种掺氢比(H 2体积分数分别为0、10%、20%、30%)和5种进口压力(4、6、8、10、12 MPa)对干气密封开启力、泄漏量和气膜刚度等静态特性的影响规律;最后,分析了4种掺氢比和5种进口压力下,转速、进口压力、平衡比和弹簧比压对干气密封启动特性的影响规律。研究结果表明:所提出的干气密封性能数值预测模型能够可靠预测高压差下干气密封出口阻塞效应及其对密封性能的影响;掺氢比对干气密封开启力、泄漏量和气膜刚度等密封静态特性影响较小;干气密封开启临界转速随掺氢比的增加而增大(掺氢比增加30%时,开启临界转速增大8.51%~16.90%),因此天然气掺氢增大了干气密封的开启难度,需设计合适的平衡比和弹簧比压以保证干气密封顺利开启。该研究结果可为掺氢条件下天然气管线压缩机轴端干气密封的高效设计和可靠运行提供理论参考。

密封端面声发射信号降噪处理技术研究

针对利用声发射技术监测密封端面摩擦状态,受到轴承、电机等部件摩擦产生背景噪声对密封端面摩擦信号的干扰,导致获取密封端面声发射信号信噪比不高的问题,文章提出的基于经验小波变换和相对熵(EWT-KLD)的滤波降噪方法,对采集到的原始信号进行滤波降噪处理,以提高密封端面摩擦产生声发射信号的信噪比。通过试验验证,该方法可适用于不同工况、不同介质、不同摩擦状态的声发射信号进行降噪,提高50 kHz以上声发射信号的信噪比,尤其是密封端面微弱摩擦产生信号的信噪比,有效地提高了密封端面摩擦声发射检测的精度和灵敏度,对于早期密封端面摩擦监测的作用尤为明显,使得密封端面摩擦状态累积变化过程的监测更准确。

超临界二氧化碳螺旋槽干气密封热流耦合润滑临界阻塞特性研究

在密封稳定运行的前提下,促成密封端面出口形成阻塞流动以提升气膜开启力、降低端面泄漏不失为干气密封性能优化的有效途径。以超临界二氧化碳(CO_(2))螺旋槽干气密封为研究对象,综合考虑实际气体、离心惯性、湍流和阻塞流效应,采用有限差分法耦合求解压力和温度控制方程,定性研究了热流耦合润滑下的临界阻塞特性(临界阻塞进口压力po_(cir)、临界阻塞转速N_cir、临界阻塞膜厚h0_cir和阻塞临界失稳膜厚hsc)。结果表明:等温流动和绝热流动模型下超临界CO_(2)干气密封端面间隙出口均存在阻塞发生工况区间,进口压力、膜厚、转速对应的阻塞发生区间分别为po>po_(cir)、h0_cir<h0<hsc和N<N_cir;转速升高可以对临界阻塞进口压力和临界阻塞膜厚产生持续增强作用,增大膜厚则会导致临界阻塞压力降低、临界阻塞转速上升,高压进口将使阻塞零刚度对应的膜厚(阻塞临界失稳膜厚hsc)下行;相较于等温流动假设,气膜热效应对超临界CO_(2)干气密封临界阻塞特性参数的影响程度较为显著,且影响规律各有不同。

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。

间隙密封高频往复运动活塞偏移特性研究

在间隙密封下的高频往复运动活塞组成的热力机械中,活塞平衡位置发生偏移的现象称为活塞偏移现象,这一现象普遍存在。对于线性压缩机和自由活塞斯特林发电机,活塞偏移将导致板簧容易断裂、输出效率下降甚至发生撞缸等严重后果。为研究间隙密封活塞偏移的内部机制以及其影响因素,建立间隙流场的流动泄漏模型,并通过数值模拟验证模型准确性。以百瓦级自由活塞斯特林发电机活塞的密封结构为研究对象,建立热力学和动力学耦合模型,分析间隙和外力对活塞偏移的影响规律。研究表明:一个周期内通过间隙的净泄漏量大于0是导致间隙密封活塞发生偏移的根本原因;在一定条件下,间隙和外力越大,活塞偏移越明显。

W形密封结构金属封隔器性能研究

针对橡胶封隔器难以适应150℃、70 MPa以上环境的缺点,设计一种适用于230℃、70 MPa工况,两端传递载荷,中间中空促进径向变形的W形密封结构的金属封隔器,并研究其密封性能。根据工况需求,以温度依赖性和超弹性激发应力选择β-NiTi合金作为W形密封结构材料,以W形结构坐封后产生的接触应力评价其密封性能,以工作承压后W形结构的弹性-超弹性应变率评价其解封性能,分析W形密封结构半径、壁厚及壁厚比对其密封性能的影响,并对设计优化后的W形结构进行密封性能仿真分析。结果表明:结构半径对W形密封结构的密封性能和解封性能影响较小,而壁厚与壁厚比均显著影响密封性能和解封性能;随着壁厚的增加,W形密封结构的密封性能逐渐下降但解封性能逐渐上升,随着壁厚比的增加,密封性能逐渐下降解封性能先上升后下降。对设计优化后的W形结构进行密封性能仿真分析,结果表明,基于β-NiTi合金材料的W形密封结构金属封隔器完全可以适用于高温高压环境,其在230℃、70 MPa的工况下坐封载荷为220 kN,弹性-超弹性应变率达90%以上。

连续管磨损对防喷盒胶筒密封性能的影响

为研究连续管磨损对防喷盒胶筒密封性能的影响,归纳连续管常见磨损形式并构建其磨损几何模型,以通径为38.1 mm防喷盒胶筒为例,通过实验得到其材料本构模型参数,建立防喷盒胶筒密封连续管的有限元模型;以有效接触应力和最大Mises应力为指标,分析连续管的磨损形式、磨损深度、磨损长度以及偏磨角度对胶筒密封性能的影响。结果表明:连续管偏磨形式对胶筒密封性能影响较大,连续管偏磨段长度大于胶筒高度且偏磨深度大于1 mm时,胶筒密封能力会出现不能满足井口密封要求的情况;偏磨角度会影响胶筒的应力分布,从而影响密封性能。

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。

基于试验设计方法的液相孔型-迷宫密封几何参数敏感性分析

为了评估新型液相孔型-迷宫密封在转子偏心下的泄漏特性,提高其运行稳定性,提出了中心组合设计的试验设计方法。对新型液相密封中影响泄漏特性和静态转子动力特性的关键几何参数(迷宫腔室深度、宽度、孔深和孔径)进行敏感性分析;采用基于动网格技术和稳态RANS方程的数值计算方法求解25种几何参数组合的新型液相密封在2种偏心率(0.1、0.2)下的泄漏量、静态气流激振力和静态刚度系数;分别以泄漏量、静态气流激振力和静态刚度系数为响应,以4个几何参数为变量获得主效应图。结果表明:偏心率对泄漏量的大小以及其几何参数敏感性影响很小,当腔室深度、宽度、孔深和孔径分别在40%、24%、56%、44%水平时,泄漏量最小;在转子偏心下,切向力随着迷宫腔室深度与宽度的增加而单调递减,随着孔深与孔径的增加先增加后减小;径向力随着腔室深度的增加而增加,随着腔室宽度的增加先减小后增加;当偏心率增加到0.2时能找到使静态直接刚度最大的几何参数组合,此时腔室深度、宽度、孔深和孔径分别在24%、48%、40%和64%水平。在转子偏心与不偏心工况下,腔室深度与宽度的增加均会造成静态交叉刚度的单调递减;转子偏心时静态交叉刚度随着孔深与孔径的增加先增加后减小。该研究结果可为液相孔型-迷宫密封的性能分析和结构设计提供参考。

天然气掺氢对管线压缩机轴端干气密封动力学特性的影响

为探究天然气掺氢对管线压缩机轴端干气密封动力学特性的影响,提出了干气密封动力学特性的三自由度多频扰动非定常计算流体力学摄动数值预测方法,通过实验和数值结果验证了方法的可靠性。采用该方法研究了10种扰动频率、4种掺氢比和3种进口压力对干气密封动力学特性系数的影响规律,结果表明:所提方法能准确预测干气密封受轴向和角向多频率扰动时的动力学特性系数;随着扰动频率的增大,气膜轴向阻尼和角向直接阻尼呈抛物线趋势减小,表明气膜在高频扰动下易失稳;随着掺氢比的增加,气膜轴向刚度和角向直接刚度分别减小了7.81%~12.19%、6.66%~14.05%,轴向阻尼和角向直接阻尼变化较小(<5%),表明天然气掺氢降低了气膜抵抗外界轴向和角向扰动的能力,但对气膜恢复平衡稳定的能力影响较小;增加进口压力会提高各动力学特性系数,有利于干气密封形成稳定气膜。研究可为掺氢条件下天然气管线压缩机轴端干气密封的可靠设计和安全稳定运行提供参考。

多唇往复滑环式组合密封数值模拟与分析

构建一种适用于多唇往复滑环式组合密封的数值模型,数值模型中包含固体力学分析、流体力学分析、接触力学分析、流固耦合分析。以含有3段密封唇的PS封为例,基于数值模型求解得到密封面油膜厚度分布、油膜压力分布、粗糙峰接触压力分布,以及内外行程的流量和密封界面的摩擦力。该数值计算方法解决了多唇密封中边界条件难确定的问题,通过迭代计算可得到稳态运行时各密封唇的边界条件。明确多唇PS封的密封机制,分析不同往复速度对密封性能的影响。结果表明:多唇PS封内外行程中各唇边界条件差异较大,外行程中,两唇之间的空隙处存在一定压力,内行程中空隙压力为0;外行程的密封面接触压力要小于内行程;增大往复速度会使多唇PS封净泄漏增加,摩擦力减小。

核主泵机械密封可靠性Bayes分析的适应性

机械密封的可靠性对核主泵的安全稳定运行具有重要影响。为解决无失效数据情形下核主泵机械密封的可靠度评估问题,分析大亚湾核主泵机械密封的运行数据,确定其可靠度分布,建立结合Bayes理论的可靠性分析模型,利用Monte Carlo法从确定的可靠度分布中仿真出无失效数据,探讨无失效数据场合下,先验分布为Beta分布时,分组数c的取值对E-Bayes估计与多层Bayes估计精度的影响。研究表明:分组数c<8时,优先选择多层Bayes估计;c>8,优先选择E-Bayes估计,c=8时,2种方法的平均相对误差均达到较低水平且多层Bayes估计更低一些。研究成果对无失效数据场合下基于Bayes理论的核主泵机械密封可靠性分析具有指导意义。