盾构机主驱动单唇形密封圈密封性能研究

以典型工况下盾构机主驱动单唇形密封圈为研究对象,利用单轴拉伸试验得到密封圈丁腈橡胶材料的应力-应变曲线,确定Yeoh三阶模型的材料参数;建立单唇形密封圈的二维轴对称有限元模型,研究介质压力、压差、摩擦因数和温度对其密封性能的影响规律。研究表明:介质压力主要影响最大接触应力,随着介质压力的增加,最大接触应力呈线性增加;介质压差主要影响最大接触应力和接触长度,随着介质压差的增加,最大接触应力先线性增加然后基本保持不变,而接触长度呈非线性增加;温度变化对密封性能的影响可以忽略;在考虑的工况条件下,单唇形密封圈唇口与旋转轴接触处产生的最大接触应力始终大于介质压力,密封性能良好。

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。

基于流固热多场耦合的高速旋转唇形密封性能研究

针对一种橡胶材料高速旋转唇形密封,结合其自身结构及应用工况,通过方程离散化计算等方法,建立定量分析密封系统密封性能的数值仿真模型。基于所建立的模型对密封实际服役状态下界面流体力学、宏观固体力学、表面粗糙峰微观接触力学、唇口摩擦生热等多物理过程之间的耦合关系进行分析,借助实验验证并完善数值仿真模型的准确性。通过所建立的数值仿真分析模型研究油封唇口接触压力分布、唇口温度、摩擦力矩及泄漏率等衡量密封性能的关键参数随转速的变化规律。结果表明:在高转速条件下考虑摩擦生热时油封径向力减小,接触宽度增加,摩擦力矩减小,说明摩擦热对油封密封性能产生较大影响。

基于神经网络的唇封结构优化方法

旋转唇形密封广泛用于机械行业,其密封圈的设计合理性直接影响着密封性能。采用有限元仿真、数值仿真等技术,研究唇口各个关键参数对密封圈性能的影响规律,并结合深度学习技术,利用Pytorch框架搭建出唇封性能神经网络预测模型,拟合出唇封各相关结构参数和其密封性能(泄漏率、摩擦力)之间的影响规律;利用建立的模型在参数空间中找到密封性能最优的一组参数值,通过经典唇封数值仿真技术验证该神经网络模型的准确性,提高了唇封结构优化设计效率。结果表明,基于Pytorch框架所搭建的非线性人工神经网络可建立精度较高的唇封结构参数和密封性能的非线性映射关系,利用这种方法可以快速找到优化程度更高的唇封结构参数,提高了唇封结构优化设计效率。

石油井安全阀弹簧蓄能密封性能分析及结构优化

为研究一种适用于超高压石油井安全阀用密封圈,设计一种适用于做往复运动的弹簧蓄能密封圈结构方案,并分析密封圈唇口结构对密封性能的影响规律。通过构建V形等效弹簧建立二维轴对称模型,借助ABAQUS有限元仿真软件分析不同唇口结构的接触应力状态;以泄漏量为指标,评价单唇和双唇在介质压力35、70、105 MPa和相对运动速度4~8 mm/s下的密封性能;并在双唇口结构优化的基础上,分析唇口角度和唇口间距对密封性能的影响规律。结果表明:在70 MPa介质压力以下,单/双唇结构的密封性能随介质压力变化的趋势相同,随着介质压力逐渐升高,双唇结构的优势逐渐明显;双唇优化后,唇口角度和唇口间距仅对唇口局部接触压力分布有影响,对密封性能的影响十分有限;相对运动速度对2种结构的密封性能影响具有相同的规律;双唇结构密封性能整体比单唇结构提高约25%。

结构和材料参数对旋转轴唇形密封可靠性影响

基于流量因子统计学方法建立油封密封区域的混合润滑数值模型,利用有限元软件进行求解,分析结构和材料参数对油封密封可靠性的影响规律。结果表明:在研究的参数范围内,静态密封可靠性随腰厚、腰长、空气侧唇角、弹簧的弹性模量、橡胶硬度的增加而提高,随过盈量、油侧角和理论接触宽度的增大而减小;当过盈量为0.4~0.55 mmm、理论接触宽度为0.3~0.6 mm、油侧角为35°~50°、空气侧唇角为15°~30°、腰厚为1.0~1.3 mm、腰长为0.9~1.2 mm、弹簧模量为1 175~1 250 MPa,橡胶硬度为70HA~85HA时有利于油封可靠性的提高,且在此取值范围内,动态密封可靠性随过盈量、油侧唇角、橡胶材料硬度、腰厚和理论接触宽度的增加而增大,随弹簧弹性模量、腰长、空气侧唇角的增大而减小。

滚动轴承防尘密封的结构优化及性能研究

通过有限元数值方法模拟分析密封唇结构对深沟球轴承橡胶防尘盖的密封性能产生的影响,在此基础上进行密封结构优化,并分析了转速对结构优化后的密封产生的影响。结果表明:随着密封唇轴向和径向过盈量的增加,密封唇部的接触压力和摩擦应力增大;随着密封唇接触宽度的增加,唇部的接触压力和摩擦应力减小;确定优化方案后,转速升高会造成密封唇温度升高,但转速变化并不影响优化后防尘盖的密封性能。

釜用唇形密封圈密封性能与开启特性研究

通过建立唇形密封圈数值分析模型,探究开启式唇形密封静态密封性能和动态开启特性,并通过试验进行验证。结果表明:介质压力对反向开启压力的影响最明显,介质压力每升高0.01 MPa,反向开启压力随之升高0.01 MPa;结构参数对反向开启压力的影响不明显,改变唇口的结构参数可以提高静态接触时的密封性能。通过试验模拟密封实际工况,准确测量出唇口反向开启压力,试验值与计算值平均误差约为10%。

PTFE唇形密封结构优化方法研究

基于参数化建模和神经网络技术提出一种PTFE双唇形油封结构的优化方法。以密封唇唇厚及唇尖坐标作为设计变量,建立双唇形油封的参数化模型,通过拉丁超立方抽样与有限元方法开展试验设计,引入神经网络拟合代理模型近似代替目标函数,综合分析各设计变量对接触压力、径向力及等效应力的影响;以接触压力最大,等效应力和径向力最小为优化目标,采用优化算法在设计空间内寻优,建立双唇形密封结构优化设计的数学模型。结果表明:优化后的唇封结构最大接触压力增大了6.3%,且接触压力分布更符合良好密封的要求;密封唇最大等效应力和最大径向力均有明显减小,提高了油封的可靠性。唇形油封性能的改善证实了优化方法的有效性。

Innovene工艺反应器稳定运行技术的开发及应用

Innovene气相聚丙烯反应器运行周期短,经常因为浮动端轴承温度高而被迫停车检修。在检修中,发现浮动端封头内部异常积粉;轴承损坏严重,滚柱变形;唇形密封磨损严重,基本失效。通过研究分析反应器的运行工况,并结合检修现象,从浮动端封头内部细粉来源、轴承及唇形密封异常磨损为切入点,找到了影响反应器稳定运行的原因及措施,为装置长周期平稳生产奠定了基础。

一种骨架油封拆卸工具的研制

骨架油封外圈与安装座内孔为过盈配合,在拆卸时较为困难。传统的拆卸方法是采用破坏性拆除,拆卸后骨架油封丧失了原有的密封效果,必须要更换新的骨架油封,此方法不适用于频繁多次拆卸的场合。文中提出了一种全新的骨架油封拆卸方法,并对理论拆卸效果进行了计算验证。

轴封橡胶密封元件的数值模拟分析

将轴封橡胶密封元件服役中涉及的材料非线性、几何非线性和接触非线性等考虑到轴对称有限元模型中,模拟轴与密封件的装配过程,构建力场-温度场模型,并通过耦合计算对接触副的摩擦生热过程进行数值分析。计算得到密封界面上的压力分布,抱轴力、摩擦扭矩和泄漏量以及唇口的温度分布。该方法较为准确地表征了密封元件与桨轴之间的相互作用关系,获得了密封唇口压力与热影响区域,可为船舶推进器密封结构设计、元件选型提供参考。

混合润滑状态下旋转唇形密封的失效机制模型

为探究旋转唇形密封的失效机制,综合考虑流体、微凸体、弹性变形和温度对旋转唇形密封的影响,构建旋转唇形密封多场耦合模型,并基于多场耦合模型与关键点更新策略提出混合润滑状态下旋转唇形密封的磨损退化模型仿真方法。通过设计故障模拟试验,将试验结果与仿真结果进行对比,验证了仿真方法的有效性。结果表明:唇形密封件在初期磨损速率较大,之后趋于平缓;唇尖处接触压力最大,磨损速率最大。

基于田口法和响应曲面法的旋转唇密封可靠性分析

基于有限元分析软件Abaqus建立旋转唇密封模型,计算得到其静态接触压力和径向变形影响系数矩阵,然后通过油封数值计算模型计算得到其泵吸率;在工况一定的情况下,分析理论接触宽度、前唇角、后唇角、过盈量、腰厚结构参数对密封性能的影响,并应用田口实验法进行正交试验设计,以信噪比作为衡量泵吸率稳定性的指标,得到影响密封可靠性的最佳参数组合;应用响应曲面分析,得到油封的极限状态方程,并通过蒙特卡洛法计算基于结构参数的油封可靠度。结果表明:各结构参数对泵吸率的影响排序依次是理论接触宽度、前唇角、后唇角、过盈量、腰厚;所研究油封的密封可靠度为0.999 87。

旋转轴唇形密封的可持续设计研究

调研和确定旋转轴唇形密封的可持续标准,根据旋转轴唇形密封的具体结构和生产工艺,基于全生命周期评估(LCA)方法,通过定量和定性相结合的方法,计算和分析旋转轴唇形密封生命周期各阶段的能耗、碳排放、单位生产时间、成本等环境、社会和经济可持续指标,确定旋转轴唇形密封可持续改进策略:环境可持续侧重于使用阶段的能耗降低,社会可持续关注生产工艺创新,经济可持续聚焦于延寿设计。从延长使用寿命和优化运行时的摩擦状态2个方面,实施旋转轴唇形密封的可持续改进设计,分析宏观截面形状和尺寸、唇部的微观相貌、唇部材料对旋转轴唇形密封可持续性能的影响。结果表明:薄唇、微观织构和耐磨材料对降低旋转轴唇形密封的能耗和碳排放都具有积极作用,研究结果对提高旋转轴唇形密封的可持续性具有重要意义。

考虑温度时油封运行工况参数对其可靠性的影响

根据油封的能量守恒方程以及黏温方程,应用迭代求解,获得不同运行工况参数组合方案的油封唇口区域的温度分布;基于正交试验设计和响应曲面拟合,得到最大温度值和温度差值的油封运行工况极限状态函数,并依据转速、油压、摩擦因数、粗糙度的极限状态函数进行油封的可靠性以及可靠性灵敏度分析。结果表明:温度最大值是研究分析温度对油封可靠性影响的最佳指标;摩擦因数对温度最大值的影响敏感性最高;所研究范围内,粗糙度的均值增加,会使油封可靠度增加,转速、油压、摩擦因数的均值增加,均会降低油封的可靠度;随转速、油压、摩擦因数、粗糙度的方差增加,油封的可靠度均降低。

盾构机唇形密封流固热耦合仿真研究

盾构机主驱动唇形密封性能直接影响整台盾构机的施工效率。盾构机主驱动唇封密封介质为润滑脂,工作时唇口温度可达50~60℃,为更好地预测唇封的密封性能,考虑润滑脂流变特性、唇口温度对流场分析、密封材料的影响,建立盾构机唇形密封流固热耦合仿真模型。利用流速分离法推导润滑脂二维雷诺方程,采用赫兹接触模型计算粗糙峰接触压力,结合有限元软件开展热力耦合分析,实现唇封温度场及摩擦力矩、泄漏率等关键性能参数的定量预测。结果表明:考虑温度场后唇封最大接触压力减小,接触宽度增大,摩擦力矩减小。温度对唇封应力应变状态及密封性能产生较大影响,这对盾构机主驱动唇形密封设计具有一定指导作用。

基于深度学习的油封缺陷检测方法研究

在传统的油封缺陷检测中,存在油封表面质量缺陷尺寸小、人工检测效率低、漏检错检率高、成本高等问题,为此,以油封缺陷为研究对象,提出了一种基于深度学习Faster R-CNN框架的多尺度特征融合的改进算法。首先,构建了油封缺陷检测系统,采集了油封缺陷图像,经扩增及标注等预处理后制作了数据集;然后,研究了油封缺陷尺寸较小导致的识别精度低问题,设计了Faster R-CNN网络基于FPN+ResNet50框架进行特征多尺度融合改进的方法;最后,采用了预训练参数送入改进的Faster R-CNN网络模型,并对油封缺陷数据集进行深度训练的方法,进行了油封缺陷的检测实验。研究结果表明:该模型的检测精确度和速度综合性能优于固有的Faster R-CNN网络模型,划痕、毛刺和凹缺的检测精确度分别达到0.96、0.95和0.97,召回率分别达到0.89、0.88和0.91,mAP可达85.5%,高于改进前模型1.4%,识别速度可达16 fps,高于油封生产速度;该检测方法可以满足油封缺陷的检测要求。

安装过盈量和水压对唇形密封圈密封性能的影响研究

针对密封圈存在因接触压力过小和温度过高产生的失效问题,利用有限元软件,建立带V型板弹簧的唇形密封三维轴对称有限元模型,分析水压与安装过盈量对唇形密封圈密封性能的影响。结果表明:唇口接触宽度、最大接触压力和唇口温度都随安装过盈量的增大而增大,在相同的安装条件下,有弹簧比无弹簧的条件下唇口接触宽度、最大接触压力和最高温度更大;随着水压的增大,最大接触压力增大,受压侧比非受压侧受水压影响更大,接触压力的最大值出现在唇口尖端处。

油封正态分布结构参数的可靠性灵敏度分析

以油封的泵吸率为可靠性指标,将理论接触宽度、油侧唇角、空气侧唇角、过盈量和腰厚5种结构参数作为因子,泵吸率作为响应输出,运用正交试验法对油封性能进行分析;运用曲面响应法拟合泵吸率的极限方程,基于可靠性原理建立油封泵吸率的可靠性模型,运用二阶矩法和蒙特卡洛2种方法进行可靠性敏感度计算,分析呈正态分布的随机参数对均值的灵敏度和标准差的灵敏度。结果表明:2种计算方法的结果基本一致,基于均值的敏感度,对可靠度影响最大的是理论接触宽度,油侧唇角、空气侧唇角和过盈量对可靠度为正面影响;基于标准差的敏感度,过盈量的标准差对可靠度影响最大,5种结构参数的标准差均对可靠度有负面影响。