Friction Characteristics of Mechanical Seals with Laser-textured Seal Faces

Heat generated by friction between faces of mechanica l seals is a major factor that causes deterioration of the seals and shortens th eir service life. Excessive temperature rise can greatly alter the seal geometry and vaporize the sealing fluid, resulting in friction of boundary lubrication. These effects on face seals usually lead to excessive leakage and ultimately ren der the seal inoperable. In order to maintain the reliability of seals, high fri ction and unwanted wear must be avoided. Using the laser-texturing process to produce regular micro-surface structures is a fast and convenient technique compared to some more conventional etching or erosion technique currently used by the seal industry for various grooved face seals. Indeed, by using a pulse laser, better control is obtained on the geometr y, size and pore ratio of seal rings made of metallic or ceramic materials. In t his study, seal rings are made of silicon carbide and carbon. Mating faces of th e rings are polished and only silicon carbide rings are laser-textured. The las er texturing can be controlled to produce spherical pores at selected diameters, depths and pore ratio. The textured rings are then super-polished to remove th e bulges formed on the pores rims. After this process the average pore diameter, pore depth and pore ratio reach the predetermined parameter. Some untextured ri ngs are also treated to the same surface roughness and served as a reference for comparison of the textured rings. A special test rig is used to simulate a mech anical seal system and to measure the effect of the laser texturing on friction and seal performance. Tests are performed at various rotational speeds and vario us axial loads. Compared with the conventional mechanical seals, temperature rise, friction torq ue and friction coefficient of mechanical seals with laser-textured seal faces are much lower. These preliminary results show the potential of improving fricti on performance and increasing seal life with laser-textured seal faces.

Analysis of Force Characteristic and Friction State on the Sealing Ring Used in Composite Transmission

Based on analysis of flow field of the rotary seal using sealing ring, mechanical models under the condition of full film friction and mixed film friction were established respectively. The influence of friction state of the sealing ring on seal performance was also discussed. The relation between force characteristic and structural parameters of the sealing ring was analyzed. Analytical results indicate that friction state mainly depends on structural parameters of the sealing ring. The expression of calculating friction torque under the condition of mixed film friction was deduced. Experiment verification had been done. Experimental results agree with the deducing theoretical conclusions on the whole. It lays the foundation for design of new type of sealing ring used in composite transmission.

应力松弛下滑环组合密封性能研究

结合钻井过程中的高温高压工况和橡胶材料的应力松弛特性,利用有限元分析中压力渗透加载方式对旋转组合密封进行双侧加压,分析了流体压力、井下温度对组合密封主密封面的影响。结合有限元分析结果,提取橡胶密封的变形矩阵,并基于热弹流理论建立了旋转形式的滑环组合密封的数值分析模型。数值求解获得了应力松弛下不同的井下温度、粗糙度时的油膜厚度和油膜压力分布,然后通过密封试验分析了泄漏率、摩擦力矩和转速的关系。结果表明:考虑应力松弛后,介质压力越大接触压力越大,此时不易泄漏,不过摩擦力会有所增加;随着温度的升高,接触应力与介质压力几乎相当,此时泄漏量会有所增加,而温升还会引起黏度的降低,使得黏性摩擦力下降;粗糙度增加,导致油膜厚度增大以及膜压减小,进而引起泄漏增幅较快,而摩擦力略有减小;泄漏率和摩擦力随主轴转速增加。

核主泵用机械密封摩擦学性能研究进展

核主泵是核电厂的核心元件,核主泵机械密封在其中起到防止介质泄漏的作用。当前,我国核主泵密封装置相关技术和产品受到国外垄断限制,核主泵摩擦副在运行状态下泄漏严重破坏核电系统的稳定运行和长周期服役,其摩擦学性能直接影响核主泵的运行性能。对于动压式核主泵机械密封,若没有处于完全液膜润滑状态,密封装置会出现异常磨损和泄漏率增大导致核主泵故障。针对核主泵摩擦副的液膜特性,从数学模型计算和软件仿真两方面分析。对温度场、速度场和应力场等进行分析,总结了密封环及副密封材料、端面热变形对摩擦学性能的影响,概述了端面形状的动压润滑机理及波度面、槽型结构和加工方法等因素对摩擦磨损的影响,为核主泵密封性能的提高和可靠运行提供理论基础。

一种航天器运动机构O形轴向动密封摩擦阻力研究

针对航天器一种常用的多道冗余O形轴向动密封摩擦阻力偏大的问题,对密封圈压缩率、金属配副表面摩擦因数、装配状态等因素进行仿真和试验研究。通过试验获得密封圈压缩率与摩擦阻力的关系;建立密封圈橡胶材料与轴孔摩擦仿真模型,通过分析获得O形密封圈与不同金属副动摩擦因数可能存在关系,并通过轴孔模拟试验验证仿真结果。通过密封圈磨损部位及应力分析,探究密封圈磨损原因。结果表明:摩擦阻力随密封圈压缩率的增大呈非线性增大趋势,且压缩率越大,摩擦阻力增幅越明显,因此降低密封圈压缩率可有效降低摩擦阻力;影响密封结构摩擦阻力的关键因素在于轴与密封圈之间的摩擦因数,通过在轴表面涂覆润滑膜层,可有效降低主轴摩擦因数,从而降低摩擦阻力。

燃油介质作动器往复密封摩擦热效应及磨损特性分析

发动机矢量推力作动器采用燃油作为传动介质,燃油的低黏度将使作动器密封接触面处于不良润滑条件,密封件摩擦磨损问题突出。针对燃油介质作动器不同压力、作动速度及油液温度的工作环境,建立往复密封热弹流混合润滑数值仿真模型,分析往复密封接触面摩擦热效应对油膜行为的影响,确定热分析边界条件,计算密封系统的瞬态温度分布。根据热分析结果,对油液黏度及密封区域内的油膜厚度进行修正,考虑密封件润滑条件探究摩擦热效应对密封性能与磨损特性的作用机理,分析不同工况条件对油膜厚度、摩擦力和磨损深度分布的影响,为设计高性能航空密封件奠定理论基础。

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。

陶瓷密封环旋转摩擦噪声特性研究

旋转机械密封采用的陶瓷密封环在航空航天领域应用广泛,但其干摩擦产生的噪声问题一直未得到解决。以陶瓷密封环为研究对象,在旋转摩擦试验台上通过振动加速度传感器和精密拾音器等测得振动与噪声信号,分析了陶瓷密封环的旋转摩擦随机啸叫的特点和产生机理。试验结果表明,振动加速度的倍频响应与高频啸叫关联,转动速度是影响振动和啸叫特征频率的主要因素。根据试验建立密封环的有限元仿真模型,采用瞬态动力学分析方法,得出的各转速特征频率与试验较为吻合;获得摩擦表面的接触压力,发现转动时摩擦接触界面的反复分离-附着现象,这被认为是试验中啸叫的主要机制。另外转速越大,接触压力越大,从而可推断出摩擦力越大,其诱发的啸叫声压级更大,这与试验测得转速和声压级正相关关系吻合。

基于QSE-ResNet的浮环密封摩擦振动信号分类方法

针对浮环密封装置在不同摩擦工况下振动信号特征微弱且难以识别的问题,传统深度学习网络在性能上取得了显著成果。然而,由于存在模型超参数多、训练时间长、迭代次数多、网络精度低以及计算成本过高等问题,其在实际使用时存在一定的局限性。因此,该研究提出了一种基于深度残差网络(residual network,ResNet)的方法,即基于快速注意力机制的残差网络(quick squeeze excitation ResNet,QSE-ResNet),以解决浮环密封摩擦振动信号分类中的问题。该方法通过引入注意力机制、调整网络残差块的连接方式并选择特定的优化器来提高模型性能,并与其他四种模型在同一个梅尔频谱图(Mel Spectrogram)数据集上进行对比测试。研究结果显示,QSE-ResNet的准确率达到了97%,比传统卷积神经网络高出13%,同时缩短了55%的模型迭代次数,节约了30%的网络训练时间。此外,QSE-ResNet成功地解决了过拟合、梯度爆炸和梯度消失等问题,显著缩短了迭代次数、节省了网络训练时间并提高了测试精度,使得浮环密封摩擦振动的信号状态监控及设备部署更为便利。该研究提出的QSE-ResNet使得浮环密封摩擦振动模型具备更便捷的部署能力,为浮环密封摩擦振动信号的研究提供了新的思路。

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。

不同温度下柔性刷丝HVOF涂层摩擦磨损及氧化行为研究

目的研究不同温度下柔性刷丝HVOF涂层接触界面的摩擦磨损行为。方法在销盘摩擦磨损试验机上采用法向载荷2 N,转速900 r/min,对L605刷丝材料与HVOF涂层配副进行不同温度下的摩擦磨损试验,分别利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDX)和X射线光电子能谱仪(XPS)对摩擦试验后不同温度(200~600℃)下的刷丝端面进行观察,并对其表面化学成分的价态进行分析。结果柔性刷丝界面的摩擦因数在0.5~0.9之间,且摩擦因数随着温度的升高而降低,摩擦因数曲线的波动程度则随温度的升高而加剧。随温度的升高,柔性刷丝界面的摩擦磨损状态由三体磨损逐渐转向二体磨损。摩擦界面EDX分析表明,接触界面的氧含量分布存在差异,随温度升高,刷丝表面氧含量增加,且XPS结果表明,不同温度工况下摩擦磨损界面氧元素的结合能并不相同。结论柔性刷丝接触界面的磨损机制以氧化磨损为主,在400℃以下,柔性刷丝界面的磨损机制主要表现为氧化磨损和磨粒磨损,再转变为氧化磨损与黏着磨损共同作用。此外,柔性刷丝界面形成不同的磨损氧化产物,当温度高于400℃时,氧元素的结合能呈现双峰。

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。

基于摩擦热效应的刷式密封摩擦副匹配性实验研究

刷丝与转子涂层相互作用产生的摩擦热效应直接影响刷式密封的密封性能和使用寿命。分析了刷式密封摩擦副之间的摩擦热效应理论,设计搭建了刷式密封摩擦副摩擦热效应实验装置,设计加工了6种不同结构参数与刷丝材料的刷式密封实验件和4种不同涂层材料的摩擦转盘,实验研究了工况参数、结构参数以及不同摩擦副材料对刷式密封摩擦热效应的影响,通过对比分析刷式密封最高温度以及磨损前后摩擦副的磨损形貌及磨损量,获取了刷丝与转子涂层材料的匹配性关系。研究结果表明:刷式密封最高温度会随着摩擦时长的增加先迅速升高后趋于稳定,随着干涉量的增大而升高,干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm,刷丝平均最高温升达39.96℃;最高温度随着刷丝束厚度的增加而升高,随着后挡板保护高度的增大而降低;当刷丝材料为钴基高温合金GH605时,最佳转子涂层材料为WC,当刷丝材料为镍基高温合金GH4169时,最佳转子涂层材料为ZrO_(2),此两种匹配材料能够在相同工况下产生较低的摩擦热量,且耐磨性能高于其他匹配材料。

沉井侧摩阻力监测装置设计及应用研究

针对现有沉井施工过程中侧摩阻力测试方法要求高、难度大的问题,自主设计研发一套侧摩阻力直接测试装置,并提出输出电压与侧摩阻力的理论转化公式。通过有限元软件对不同传感器平行梁尺寸下梁端应变和最大应力、不同密封材料下装置的应变损失进行分析,指导传感器平行梁尺寸及密封材料的选择,并利用大型直剪仪对装置进行精准标定,最后在哈尔滨某沉井工程中进行现场应用。研究结果表明:1)平行梁的厚度越小、长度越大,弹性元件在荷载作用下微应变越大,但同时最大应力会增大;2)传感器内填充密封材料后,会存在一定应变损失,采用硅酮结构胶对装置进行密封应变损失最小;3)不同法向应力加载条件下侧摩阻力监测装置标定曲线的一致性较好,线性拟合系数均大于0.99,装置稳定性好。现场应用结果表明,通过侧摩阻力监测装置获取的沉井侧摩阻力与侧壁土压力的分布规律基本一致,且装置易于安装,可靠性好。

不同粗糙度下织构处理前后端面密封表面的接触压力与摩擦性能分析

端面密封表面摩擦性能对叶片式液压摆动油缸的稳定运行有重大影响。对端面密封在不同粗糙度下、织构处理前后的接触压力与摩擦性能展开研究,综合分析粗糙度、织构化处理与端面密封摩擦性能的关系。将MATLAB与COMSOL相结合,建立端面密封有限元模型,仿真分析不同粗糙度、是否织构化处理等不同条件下的接触压力分布;结合对应摩擦实验获得端面密封摩擦力分布,并考虑叶片密封润滑模型,建立摆动油缸总摩擦力计算模型;最后通过摆动油缸实验,验证理论分析的准确性。结果表明:一定预压缩量下,接触压力随粗糙度的增大而增大;油润滑状态下,织构化表面摩擦性能优于未处理表面;所建立的总摩擦力计算模型可用于分析摆动油缸在不同粗糙度等条件下的摩擦性能。

缸筒温度对聚氨酯活塞摩擦磨损影响规律试验研究

活塞是链式喷浆机的重要组成部分,也是链式喷浆机安全、可靠、高效生产的关键,因此,开展活塞磨损性能研究是提高其可靠性及安全性的重要基础,为分析温度对活塞-缸筒摩擦磨损性能的影响,选用聚氨酯材质的活塞和缸筒进行摩擦磨损试验,模拟喷浆机中活塞-缸筒的实际运行情况,利用压力变送器、电子天平、徕卡显微镜对活塞-缸筒间的密封情况、活塞的磨损量以及表面磨损形貌进行分析检测,从而得到了不同温度对活塞磨损性能的影响情况,并探讨了磨损机制。试验结果表明:活塞-缸筒间的密封性能随磨损温度的增加而下降,但当温度超过40℃时,密封性能相对上升;随着温度的升高,磨损量逐渐增加,活塞表面磨痕宽度与深度逐渐增大,即温度越高,磨损越严重,磨损表面的粗糙度越大,活塞表面形貌磨损越剧烈,活塞表面非正常磨损逐渐增加。该试验研究温度对活塞磨损行为的影响,以期为聚氨酯活塞在温度变化下的摩擦磨损相关研究提供试验参考,该研究对提高链式喷浆机可靠性具有重要意义。

不同材料配副机械密封对密封介质适应性研究

针对某双端面机械密封,分析了硬质合金配对碳石墨、硬质合金配对碳化硅两种组对方式在不同温度的清水和液压油中的温度场,结果显示:冲洗液为水时,冲洗流量增大,密封环温升下降不明显,冲洗液为油时,冲洗流量增大,密封环温升下降较大;液压油作为冲洗液时密封端面最高温度较水作为冲洗液时最高温度高25~42℃;采用水作为冲洗液时,冲洗液在不同温度下密封环最高温升都在11℃左右,合理控制冲洗液温度可有效解决密封环端面温升问题;采用液压油作为冲洗液时,密封环端面温升在33~54℃之间,单纯控制冲洗液温度和流量都不能有效降低密封环温升,在此工况下硬质合金和碳化硅组对性能更优。

电力液压系统中的密封摩擦特性分析与优化

随着电力液压系统中发动机的快速发展,活塞组件面临着越来越苛刻的工作环境。为了降低发动机活塞组的摩擦损失功,提高电力液压系统的工作效率,通过对电力液压系统中活塞环组密封摩擦特性影响因素进行分析,再通过正交试验对实验进行优化,分析不同环组配合下的曲轴偏置、活塞销偏置、配缸间隙和活塞中凸点高度等因素对密封和摩擦特性的影响规律。实验结果表明,曲轴偏置是对摩擦损失功最主要的影响因素,配缸间隙是对窜气量最主要的影响因素。优化后方案与原始方案相比,窜气量减少至39.53 L/min,摩擦损失功为0.45 kW。优化后的方案密封性得到了改善,同时摩擦损失功和敲击噪声均有所减少。通过对电力液压系统中的密封摩擦特性进行深入研究和优化,可以为提高液压系统的可靠性和效率提供理论依据和实践指导。

供水厂设备维修中水泵机械密封技术的应用

针对供水厂设备维修中水泵机械密封技术的应用进行了探讨和分析。介绍了研究的背景和目的,根据机械密封效果的主要影响因素,进行实例论证分析,验证了水泵机械密封技术在供水厂设备维修中的重要作用和应用价值。该研究成果对于提高供水厂设备维修中水泵机械密封技术的应用水平,提升设备维修质量和效率具有重要的指导意义;同时从近6年的实际运行来看,水泵可维持良好的运行状态,有效解决了水泵密封性差、耐久性不足的问题,达到节能的效果,且减轻了检维修人员的工作强度。

涡旋压缩机轴向密封机构结构设计及摩擦学性能研究

涡旋压缩机运行过程中轴向间隙导致的气体泄漏以及密封材料与涡旋盘端板之间的摩擦损耗极大地降低了压缩机的工作效率,对其工作性能产生了不利影响。为了减少动、静涡旋盘之间的气体泄漏以及摩擦磨损,提出一种磁悬浮轴向密封机构,通过对其进行受力分析,得到动涡旋盘所受背压腔气体力的压力差,并以受力结果为指导进行不同石墨含量填充的PTFE密封材料的磨损试验,探究轴向密封材料的摩擦学性能。结果表明:该轴向密封装置能够有效降低轴向间隙引起的径向泄漏,使用石墨填充量为25%的PTFE密封材料搭配所设计的新型磁悬浮轴向密封机构能够实现较好的密封和减摩效果。