（化工过程机械专业论文）圆柱孔端面机械密封的数值分析.pdf

；- i j l 科技大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 锨喂魔 矽l 口年罗月q 日 指导教师签名： 寸 矽j 口年 月z p 日 ；, - - i = i l 科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 函不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：张嗫属 指导教师签名： 口年y 月2 7 日 弘1 年f 月攻日 够十 摘要 摘要 本文从圆柱孔端面机械密封的动力学分析入手，采用有限差分数值计算方法， 深入研究了密封面操作参数和结构参数对液膜压力的影响。在此基础上，采用理论 分析和数值计算的方法系统地开展圆柱孔端面机械密封的密封性能研究，主要研究 内容和结论如下： 1 ) 建立了圆柱孔端面机械密封的流体动力学分析模型，通过将参数无量纲化，采 用有限差分法对圆柱孔端面机械密封进行了详尽地分析和参数研究，并利用 m a t l a b 计算机软件得到了无量纲压力的三维分布情况。由计算分析可知，液膜无 量纲平均压力随着液体粘度、流体压力和转速的增加、密封间隙的减小而增大。另 外，微孔密度和微孔深径比对液膜平均压力有很大影响，对其进行优化，可使平均 液膜压力达到最大。 2 ) 对圆柱孔端面机械密封的密封性能进行了研究，推导出摩擦力矩的计算公 式，并从理论上分析了微孔结构参数对开启力、液膜刚度、摩擦力矩和泄漏率的影 响规律。结果表明：在微孔半径一定时，对微孔结构参数进行优化，可使密封性能 达到最佳。 3 ) 从理论上推导出操作参数对开启力、液膜刚度、摩擦力矩和泄漏率的影响规 律。分析结果表明：在微孔半径一定时，对微孔操作参数进行优化，可使密封性能 达到最佳。 总之，通过对圆柱孔端面机械密封的数值分析，得到了微孔结构的优化参数， 为圆柱孔端面机械密封的进一步研究奠定了理论基础。 关键词机械密封；圆柱孔端面；有限差分法；液膜压力；密封性能 河北科技人学硕十学位论文 a b s t r a c t h u i dh y d r o d y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls e a l sw i t hc y l i n d r i c a lm i c r o - p o r e so nt h e s u r f a c eh a sb e e np r e s e n t e di nt h i st h e s i s t h ee f f e c to fs t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s o nt h el i q u i df i l mp r e s s u r eb e t w e e ns e a lf a c e sh a sb e e nr e s e a r c h e db yt h ef i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d b a s e do nt h i s ，t h es e a lp e r f o r m a n c eo fm e c h a n i c a ls e a l sw i t hc y l i n d r i c a l m i c r o p o r e so nt h es u r f a c eh a sb e e ns y s t e m a t i c a l l ys t u d i e db yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n t sa n da c h i e v e m e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w ： 1 ) a t h e o r e t i c a lm o d e lh a sb e e nd e v e l o p e dt oi n v e s t i g a t eh y d r o d y n a m i ce f f e c to ft h e m e c h a n i c a ls e a l sw i t hc y l i n d r i c a lm i c r o p o r e so nt h es u r f a c e b ym e a n so fv a r i a b l e d i m e n s i o n l e s ss t e p s ，n u m e r i c a la n a l y s i sa n dp a r a m e t r i ci n v e s t i g a t i o nh a v eb e e np e r f o r m e d t oo b t a i n l i q u i d f i l m p r e s s u r eb y t h ef i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d m e a n w h i l e ，t h r e e d i m e n s i o n a ll i q u i df i l mp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n so v e rt h ep o r ec o l u m nc a l lb ea c h i e v e db y c o m p u t e rp r o g r a mm a t l a b t h ea v e r a g el i q u i df i l mp r e s s u r ec a nb ec a l c u l a t e da s a f u n c t i o no ft h es t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp a r a m e t e r s i tw a sf o u n dt h a tt h ea v e r a g el i q u i d f i l mp r e s s u r ei n c r e a s e sw i t hi n c r e a s eo ft h er o t a t i o n a ls p e e d ，l i q u i dv i s c o s i t ya n dl i q u i d p r e s s u r ea n dr e d u c t i o no ft h es e a lc l e a r a n c e o nt h eo t h e rh a n d ，t h ee f f e c to fp o r ed e n s i t y 。 a n dd e p t ho v e rd i a m e t e rr a t i oi sv e r ys i g n i f i c a n tt ot h ea v e r a g ej i q u i df i l mp r e s s u r e o p t i m u mv a l u e so ft h e s ep a r a m e t e r sc a nm a x i m i z et h ea v e r a g ep r e s s u r e 2 ) t h es e a l i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h em e c h a n i c a ls e a l sw i t hc y l i n d r i c a lm i c r o - p o r e so n t h es u r f a c eh a v eb e e ns t u d i e di nd e t a i l af o r m u l au s e da sc a l c u l a t i n gf r i c t i o n a lt o r q u e b e t w e e ns e a lf a c e sh a sb e e nd e r i v e d e f f e c to fs t r u c t u r e p a r a m e t e r s o n s e a l i n g c h a r a c t e r i s t i c sh a sb e e na n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y r e s u l t ss h o wt h a to p t i m u ms t r u c t u r e p a r a m e t e r sm a x i m i z et h es e a l i n gp r o p e r t ya st h er a d i u so ft h em i c r o - p o r e si sc o n s t a n t 3 ) e f f e c to fo p e r a t i n gp a r a m e t e r s o n s e a l i n gc h a r a c t e r i s t i c s h a sb e e nd e r i v e d t h e o r e t i c a l l y r e s u l t ss h o wt h a to p t i m u mo p e r a t i n gp a r a m e t e r sm a x i m i z et h es e a l i n g p r o p e r t ya st h er a d i u so ft h em i c r o - p o r e si sc o n s t a n t i n b r i e f , b ym e a n so fn u m e r i c a la n a l y s i so nm e c h a n i c a l s e a l sw i t h c y l i n d r i c a l m i c r o p o r e so nt h es u r f a c e ，t h eo p t i m u ms t r u c t u r ep a r a m e t e r sh a v eb e e no b t a i n e d ，w h i c h e s t a b l i s h e st h et h e o r e t i c a lb a s et ot h ef u r t h e rs t u d y k e yw o r d s m e c h a n i c a ls e a l s ；c y l i n d r i c a lm i c r o p o r e ss u r f a c e ；f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ； l i q u i df i l mp r e s s u r e ；s e a l i n gp r o p e r t y l l 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i l 目录i i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 非接触式机械密封2 1 3端面微孔机械密封的国内外研究进展3 1 3 1 端面微孔机械密封的加工方法g l o oliimooq1006qo j 3 1 3 2 端面微孔机械密封的理论研究进展4 1 4 本课题的提出与重要意义一6 1 5本文研究的技术路线和主要内容：7 1 5 1 研究的总体技术路线7 1 5 2 本文研究的主要内容7 第2 章圆柱孑l 端面机械密封的流体力学分析9 2 1 流体动压型机械密封理论基础9 2 1 1雷诺方程的一般形式1 2 2 1 2 等温稳态条件下的雷诺方程1 4 2 1 3 动压型机械密封的控制方程1 5 2 2 圆柱孔端面液膜的动力学分析模型1 5 2 2 1几何模型“l5 2 2 2 基本假设1 7 2 2 3圆柱孔端面流体膜的控制方程l8 2 2 4 膜厚分布”18 2 2 5 边界条件”18 2 3参数的无量纲化19 2 3 1圆柱孔端面流体膜控制方程的无量纲形式1 9 2 3 2 膜厚分布的无量纲形式1 9 2 3 3 边界条件的无量纲形式2 0 2 4 本章小结2 0 第3 章圆柱子l 端面机械密封的数值分析和参数研究2 1 3 1引言2 1 1 河北科技大学硕士学 ! c ) ：论文 3 2 雷诺方程的有限差分法求解及控制方程的求解2 2 3 2 1 无量纲控制方程数值解的格式2 2 3 2 2 无量纲控制方程数值解的实现“2 5 3 3 无量纲液膜压力的表达型式2 5 3 - 3 1 无量纲液膜压力”2 5 3 3 2 无量纲平均压力2 6 3 4 无量纲平均压力的影响因素一2 6 3 4 1 无量纲密封间隙艿对无量纲平均压力尸口。的影响2 7 3 4 2 无量纲操作参数五对无量纲平均压力r ，的影响3 0 3 4 3 无量纲流体压力只对无量纲平均压力p 口，的影响”3 2 3 4 4 微孔密度品对无量纲平均压力r 。的影响3 4 3 4 5 微孔深径比占对无量纲平均压力只，的影响3 6 3 5 本章小结3 6 第4 章结构参数对密封性能的影响3 8 4 1 密封性能参数的计算：3 8 4 1 1 密封开启力，o 的计算一”3 8 4 1 2 液膜刚度k 的计算j 3 8 4 1 。3 泄漏率p 的计算3 9 4 1 4 摩擦力矩丁的计算3 9 4 2 深径比对密封性能的影响i 一4 1 4 2 1 深径比对开启力的影响”4 1 4 2 2 深径比对液膜刚度的影响4 2 4 2 3 深径比对泄漏率的影响”4 2 4 2 4 深径比对摩擦力矩丁的影响一4 3 4 3 微孔密度对密封性能的影响一4 3 4 3 1 微孔密度对丌启力的影响4 3 4 3 2 微孔密度对液膜刚度的影响4 4 4 3 3 微孔密度对泄漏率的影响4 4 4 3 4 微孔密度对摩擦力矩的影响4 5 4 4 本章小结4 5 第5 章操作参数对密封性能的影响4 7 5 1流体粘度对密封性能的影响4 7 5 1 1 流体粘度对开启力的影响”4 7 5 1 2 流体粘度对液膜刚度的影响- 4 7 i v 目录 5 1 3 流体粘度对摩擦力矩的影响4 8 5 1 4 流体粘度对泄漏率的影响4 8 5 2 转速对密封性能的影响4 9 5 2 1 转速对开启力的影响- 4 9 5 2 2 转速对液膜刚度的影响4 9 5 2 3 转速对摩擦力矩的影响4 9 5 2 4 转速对泄漏率的影响5 1 5 3密封间隙对密封性能的影响5 1 5 3 1 密封间隙对开启力的影响5 1 5 3 2 密封间隙对液膜刚度的影响5 2 5 3 3 密封间隙对泄漏率的影响5 2 5 4 密封流体压力对密封性能的影响5 2 5 4 1 密封流体压力对密封开启力的影响”5 2 5 4 2 密封流体压力对液膜刚度的影响5 3 5 4 3 密封流体压力对泄漏率的影响5 3 5 5 本章小结5 4 结论”5 5 参考文献- 5 7 攻读硕士学位期间所发表的论文一6 0 致谢：6 1 v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 机械密封是一种旋转机械，如离心泵、离心机、反应釜和压缩机等的轴封装置。 机械密封是依靠弹性元件对动环端面和静环端面密封副施加的预紧和介质压力与弹 性元件压力的预紧而实现密封的，故也称为端面密封，是流体旋转机械轴封的最主 要类型，使用量具大，应用面广泛。按国家相关标准定义为：机械密封是由至少一 对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力( 或磁力) 的作用以及辅助密封 的配合下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置，图1 1 为最常见的普 通机械密封结构，该结构的主要组成部分为由静环、动环和补偿机构( 弹簧) 等。其基 本原理为：静环保持静止不动，而动环则在弹簧力和介质压力的作用下，随旋转轴 一起旋转并与静环保持紧密贴合以阻止密封介质的泄漏。由于动环和静环密封端面 间的互相摩擦必然会产生磨损，此时由于补偿机构的补偿作用动环作轴向移动，从 而始终保持密封端面间的紧密接触，防止流体从密封端面泄漏。另外，辅助密封圈 与其接触部分无明显相对运动，基本上属于静密封，施加一定的预紧力即可实现各 密封点紧密不漏。 因为机械密封具有良好的密封性能，并且使用寿命长，抗震性强，对轴或轴套 1 紧嗣螺钉：2 弹簧座：3 弹簧：4 动环辅助密封圈；5 动环；6 静环： 7 静环辅助密封圈； 8 防转销 图1 - 1普通机械密封结构 f i g i - i f u n d a m e n t a ls t r u c t u r eo f m e c h a n i c a lf a c es e a l s 河北科技大学硕十学位论文 几乎无磨损等一系列优点，目前机械密封几乎应用于工业的各个领域。在齿轮箱、 机动车冷却水泵、加工机床、船舶尾轴、齿轮减速( 增速) 箱等机械设备上机械密封有 着大量的应用。但更多的机械密封应用于化工、造纸、制药、食品等过程工业的机 械装备( 如泵、压缩机、反应釜等) 上。在某些要求严格控制泄漏量的场合，需要采用 复杂的多级密封及辅助密封系统，其初始投资可能很大，甚至超过机泵本身。随着 科技的发展，机械密封技术取得了很大进展，然而资源问题同益突出，人们的环保 意识逐渐增强，研究与开发新型机械密封技术是势不可挡的趋势，为了研制开发出 既能降低能耗，又能提高密封可靠性和延长密封寿命的密封结构，各国均投入了大 量人力物力。通过深入探索研究密封机理，开发出新的密封结构无疑具有巨大的社 会效益和经济效益。 圆柱孔端面机械密封是一种新型流体动压型机械密封，属于非接触式机械密封， 其基本原理是在密封端面上加工出圆柱形的微孔，当密封运转时，端面上的微孔结 构可以产生足够的流体动压力使密封端面保持分离。非接触式机械密封与接触式密 封相比，有许多更加突出的优良密封性能：由于密封工作在非接触状态，端面不直 接接触，因此减小了密封端面的摩擦磨损，大大延长了密封环的寿命；由于密封端 面间存在流体，密封不需要其它的封液或冷却系统，使成本及维护费用大大降低【2 1 。 本文对圆柱孔端面机械密封的承载能力、端面的密封性能进行分析，建立圆柱 孔端面机械密封分析模型，采用有限差分法对密封端面间的压力分布进行数值计算， 研究微孔结构参数和操作参数对圆柱孔端面机械密封的密封性能影响。 。1 2 非接触式机械密封 普通机械密封是指依靠密封端面间的动环和静环紧密接触而实现流体的密封， 因而这种密封的摩擦状态在运转过程中总是表现为混合摩擦状态，个别情况下表现 为边界摩擦状态。由于密封端面间的动静环直接接触发生摩擦，其产生的热量使得 密封端面温度升高，进而使得密封面间的介质汽化，密封环发生变形，密封面产生 磨损，甚至产生热冲击和热裂等现象。使用昂贵的冷却和冲洗系统等辅助设施尽管 可以降低端面温度，但对于一些极端工况，比如高速、高温、低粘度等，则不能从 根本上解决上述问题【3 】。 非接触式机械密封是指密封端面不发生接触，在运转过程中密封端面间存在一 层流体分离膜，摩擦状态为纯流体摩擦的机械密封。机械密封端面的分离膜可以通 过流体动、静压效应获得。流体的静压效应与流体流经端面形成的压差有关，与转 速无关；流体动压效应是由于流体的黏性剪切作用和膜厚变化形成的。虽然流体静 压效应与转速无关使其极具吸引力，但有其不足之处：当压差较小时，仅靠流体静 压效应不但不能使弹簧加载的端面分离，而且使得流体膜的刚度很差。受流体动压 2 第1 章绪论 轴承的启示，主动利用流体动、静压特性增加流体动压效应，通过在密封端面上加 工流体动压槽、台阶、斜面、孔等结构特征，利用槽的收敛区域得到实现。密封端 面间的流体膜具有一定的刚度，使两密封端面间产生丌启力，并将它们相互分离， 使密封面实现非接触，并且以剪切流补偿了压差流，大大降低了流体泄漏率，甚至 使密封达到零泄漏。密封端面在流体润滑状态下工作，只有流体之间的内摩擦，极 大地改善了端面间的润滑条件，使密封面的摩擦、磨损微乎其微，这就大大延长了 机械密封的寿命【3 1 。并且和接触式机械密封相比，其性能和选材方面得到了极大改善。 另外，产生动压效应的槽形有单向槽，如：螺旋槽或三角槽，只允许轴沿一个 方向旋转；双向槽有捶形槽或方形槽，对轴的旋转方向无限制。另外，还有很多新 槽型，如：半圆形槽、弧形槽、矩形槽、直线槽、叶形槽、t 形槽、周向槽等。随着 新槽型的不断出现，以及流体动压型机械密封理论的成熟与试验研究的不断深入， 非接触式机械密封在生产实际中得到越来越广泛的应用。 1 3 端面微子l 机械密封的国内外研究进展 1 3 1 端面微孑l 机械密封的? n t 方法 ， 机械密封各零件的材料是根据其所起的作用、结构特征和使用条件来进行选择 或研制与开发的。机械密封材料包括端面摩擦副材料、辅助密封材料、加载弹性元 件材料和其他结构件材料。正确合理的选择各种材料，特别是摩擦副材料，在保证 机械密封工作的稳定性，延长密封件使用寿命，降低成本上具有重大意义。摩擦副 所用的材料，一般都具有很大的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，主要有以碳化钨为代表 的各种石墨、硬质合金、填充聚四氟乙烯以及各种新陶瓷，如碳化硅、氮化硅等。 目前有很多普通加工方法，如电化学腐蚀加工、电火花加工、电化学加工等。 近几年又出现了很多新技术，如l i g a 技术、u v 光刻技术( u vp h o t o l i t h o g r a p h y ) 、反 应离子蚀刻技术( r e a c t i v ei o ne t c h i n g ，r i e ) 3 , 4 1 ，其他加工技术还有压刻技术【5 ，6 】、超 声加工技术、激光毛化技术等。激光加工方法是一种去除材料的特殊加工方法，它 利用激光的高能量密度和高方向性，将其投射到材料表面产生的热效应对材料表面 进行精细加工，雕刻与切割。到目前为止，激光切割、激光打孔、表面改性等广泛 应用的技术都是利用了该方法。常规的机械加工方法几乎对于在摩擦副表面加工出 深度为微米级的微孔或微槽无能为力。若用常规方法对摩擦副表面进行处理，不但 加工效率低、加工成本高，而且根本无法满足特殊表面和尺寸的要求。激光技术无 疑是加工密封环端面的最佳方法。1 9 9 7 年m u l l e r 利用激光技术加工了一种新槽型， 并采用有限元法对具有该槽型的“液体回流式”流体润滑机械密封端面之间流体的流 动进行了分析，试验结果证明这种槽型能产生更大的承载能力。e t s i o n 教授也利用激 光技术对密封表面进行规则微凹坑加工，并对加工出的激光纹理环进行了磨损试验。 3 河北科技大学硕士学位论文 与其它加工技术相比，激光技术具有加工精度高、工艺周期短、对周围材料几乎无 影响、操作简单方便等优点 7 】。经激光技术处理后的摩擦副，其耐磨性能得到大幅提 高，从而极大的延长了使用寿命，使能源消耗得到有效降低。故激光技术被认为是 处理摩擦副表面的理想手段。 1 3 2 端面微孑l 机械密封的理论研究进展 端面微孔机械密封是在普通机械密封的静环或( 和) 动环上加工出规则分布的微 米级小孔。在该结构中，由于静环表面有很多微孔，每个微孔就像一个微动力滑动 轴承。当两表面相对滑动时，表面间就会形成收敛缝隙流体膜层，在每个孔的上方 及其周围区域就会产生流体动压力，该流体动压力取决于微孔结构参数、滑动速度、 流体粘度、液膜厚度等。目前常见的端面微孔机械密封的结构主要有两大类：一类 是全微孔端面，即在整个静环端面或动环端面均加工微孔，如图1 2 所示；另一类是 部分微孔端面，即仅在部分端面区域加工微孔，如图1 3 所示【8 】。 图1 2 端面全开孔 f i g 1 - 2 f u l lp o r e so ns u r f a c e 图1 3 端面部分开孔 f i g 1 3 f r a c t i o n a lp o r e so ns u r f a c e 研究端面微孔机械密封的理论是为了探明多孔端面机械密封的机理，获得操作 参数和微孔结构参数对密封性能的影响规律，确定端面间的压力分布，进而获得其 它密封性能参数，为其工业应用提供理论支持。其最早的理论研究源于1 9 8 9 ，1 9 9 0 年k a n e n k o 对于具有多孔材料的环形平面密封研究，其结果表明密封材料上的微孔 对动力学系数有很明显的影响，与普通无孔材料端面密封相比，随着多孔材料厚度 的增加影响更加明显【9 , 1 0 】。1 9 9 4 年e s t i o n 研究了具有微孔材料的机械密封，他根据 前人的经验采用解析法获得了密封端面间的压力分布、密封面的泄漏率和动压系数。 结果表明与无孔实体端面密封相比，具有微孔材料的机械密封即使在端面互相平行 的情况下液膜也具有正的轴向刚度，但其泄漏率相对较耐】。1 9 9 6 年，e t s i o n 在机 械密封表面上进行规则分布的表面微细造型，数值模型如图1 4 。模型中假定每个造 型所占正方面积相等，对单个微细造型对机械密封性能的影响采用数值计算的方法 4 第1 章绪论 进行了分析，结果证明具有微细造型的机械密封具有全液膜非接触机械密封性能【l 2 i 。 e t s i o n 在1 9 9 9 年对激光加工的机械密封表面微细造型建立了物理模型。通过分析， 又以微孔单元为研究对象建立了物理模型。在微孔单元物理模型中，认为激光加工 的微孔是球冠形状，理论计算分析了微孔参数对机械密封性能的影响，阐述了工况 条件与丌启力之间的关系，通过对参数优化可使丌启力和液膜刚度达到最大。经过 试验验证了理论分析的结果：经激光微细造型后的机械密封与没有经过激光处理的 同类产品相比，其性能明显得到提高引。 p o ! o o 一 _ o 回焦：黜 ooc 卜 趣 a 1 密封端面微孔分布 b ) 端面微孔结构 a 1d i s t r i b u t i o no f m i c r o - p o r e sb ) t e x t u r eo f m i c r o - p o r e s 图l - 4 具有半球形微孔的机械密封 f i 吕1 - 4 m e c h a n i c a ls e a l sw i t hh a l f - s p h c r em i c r o - p o r e s 。 2 0 0 1 年，x i a o l e iw 和k o j ik a t o 通过试验研究摩擦副材料为碳化硅的机械密封 表面微孔在水润滑条件下对润滑性能的影响。通过激光技术在机械密封表面加工出 规则分布的微米级小孔，在试验台上增大外载荷，以研究不同操作条件下表面微孔 对密封性能的影响。试验结果证明在密封表面加工微孔是提高承载能力的重要手段 1 1 4 。随后，x i a o l e iw - 和k o j ik a t o 采用反应离子蚀刻技术在密封表面加工出圆柱形微 孔，并采用相同的试验台架，研究碳化硅机械密封表面微孔对润滑性能、抗吸附性 能和摩擦力等特性的影响。结果证明机械密封表面微i l i i 够有效减小碳化硅密封表 面的摩擦力，提高承载能力，降低摩擦系数f 1 4 - 坫】。 k o s k i n e n j 等于2 0 0 7 年采用激光技术在钢表面进行微造型，研究激光表面微造 型对其摩擦润滑性能的影响，试验结果显示，激光表面微造型能够有效减小材料的 摩擦磨损，延长使用寿命【1 7 1 。 国内对密封表面微造型的研究起步较晚。2 0 0 2 年，于新奇在华东理工大学建立 了激光加工多孔端面机械密封单个微孔的物理模型，并采用有限差分法进行数值求 解。分析结果表明，激光加工多孔端面机械密封具有明显的动压效应。同时对其进 5 河北科技大学硕士学位论文 行了摩擦性能在变载荷下做了试验研究，试验结果表明，其端面温升、摩擦扭矩和 摩擦系数远低于普通机械密封的相应值。证明该微孔结构产生的动压效应使密封端 面问处于良好的摩擦润滑状态【1 8 2 0 】。2 0 0 4 年，于新奇指出端面微孔产生的动压效应 可使机械密封的最大p v 值得到有效提高。与普通机械密封相比，激光加工多孔端面 机械密封使密封面间的摩擦力矩明显降低，从而实现了端面问的流体润滑，延长了 密封寿命 2 1 】。2 0 0 5 年，于新奇对激光加工多孔端面机械密封的流体动力学进行了分 析，并建立了模型。通过分析可知，液膜平均压力随着液膜厚度和密封流体压力的 减小、液体粘度和转速的增加而增大，微孔产生的动压效应增强。另外，微孔结构 参数( 如深径比和微孔密度) 对液膜平均压力有很大影响，并存在最优值【2 2 】。2 0 0 6 年 杜东波建立了激光加工多孔端面机械密封的理论分析模型，在给定操作条件下应用 有限单元法研究了不同微孔截面形状的结构参数( 微孔深径比和微孔密度) 对密封性 能( 端面开启力、液膜刚度、摩擦力矩和泄漏率) 的影响规律，结果同样表明，密封端 面上的微孔可产生明显的动压效应【2 3 1 。2 0 0 7 年万轶对激光加工多孔端面机械密封的 摩擦学性能进行了试验研究，试验结果表明微孔端面机械密封与普通机械密封相比， 可将最大p v 值提高2 5 倍【2 4 1 。另外潘晓梅通过建立激光加工多孔端面机械密封的理 论分析模型，计算分析了h a l f - s o m m e r f e l d ，r e y n o l d s 和j f o 三种空化边界条件对其 密封端面平均膜压的影响规律，确定了适宜于数值分析采用的空化边界条件，对考 虑密封环表面粗糙度时微孔结构参数和操作参数对密封性能参数的影响规律进行了 研究f 2 5 】。 综上所述，端面微孔机械密封既具有优良的密封性，又具有良好的端面摩擦状 况，从而使得在既达到密封的同时，又能极大地延长密封寿命的目的。因而将端面 参数进行优化具有重要意义【2 6 】。 1 4 本课题的提出与重要意义 本课题以圆柱孔端面液相机械密封为研究对象，通过对其端面液膜特性的研究， 初步建立起圆柱孔端面液相机械密封应用理论，以促进某些工况下接触式机械密封 难以解决的密封技术。 提出本课题背景的原因主要有： 1 ) i 业上有不少难以保证良好润滑和密封条件的工况，如有毒、危险、易挥发介 质( 如高温高压水、一氧化碳、液化石油、氯乙烯、烯烃、汽油等) 、高速液相透平泵 等，随着人们对健康、安全和环境保护的愈来愈重视，采用接触式机械密封普遍存 在寿命短，易泄漏等问题，迫切提高密封水平，以促进生产的发展。 2 ) 激光加工多孔端面机械密封在某些特殊工况中已有成功的应用实例，如石化厂 轻烃泵的密封中，这说明其工业应用在技术上是可行的。虽然目前对一些孔型的机 6 第1 章绪谠 械密封性能进行了研究，但对圆柱孔端面机械密封的研究还未见报道，使得至今还 没有推广应用和商品化的产品面世。 3 1 虽然螺旋槽等上游泵送机械密封已被成功应用于许多尖端技术部门，证明具有 较好的密封性能和端面润滑性能，但是这种机械密封要求有下游流体，并辅以停车 密封，这样就使结构复杂，加大了轴向尺寸，使得此种机械密封造价很高，使用受 到一定限制。 本文旨在研究圆柱孔端面机械密封机理，如果其设计理论获得突破，同时又能 很好地解决微孔加工，降低制造成本等问题，这类密封应用前景将十分广阔，经济 效益将相当可观。对此，国际密封界工作者已日益重视对它的研究。 本课题研究的科学价值在于通过探明圆柱孔端面机械密封的液膜压力分布规 律，系统地探明微孔结构参数和操作参数对端面间密封开启力、液膜刚度、摩擦力 矩和泄漏率等密封性能的影响，从而为建立圆柱孔端面机械密封的设计方法奠定理 论基础。 1 5本文研究的技术路线和主要内容 1 5 1研究的总体技术路线 本文研究的总目标是探索圆柱孔端面机械密封的机理，探明液膜压力分布规律， 研究操作参数和微孔结构参数对密封性能的影响规律，为该类密封的设计与应用奠 定理论基础。为此，本文以揭示端面机械密封液膜特性为研究的核心内容，采用数 值计算法研究液膜压力分布、液膜成形的开启力、液膜刚度、密封端面问的摩擦力 矩，以及泄漏率等。总体技术路线如图1 5 所示。 。 一液膜压力分布l 圆柱孔端面机械密封性能 圆柱孔端面机械密封 摩擦性能研究 理论研究 液膜特性 一密封性能研究卜一 图1 5 研究课题的总体路线图 f i g 1 - 5 g e n e r a lp r o c e d u r ei nt h er e s e a r c hs u b j e c t 1 5 2 本文研究的主要内容 本文以圆柱孔端面机械密封为研究对象，如图1 - 6 所示，采用数值分析方法，深 入研究密封面结构参数和操作参数对密封面间液膜的无量纲压力和无量纲平均压力 的影响规律，以及对密封性能的影响规律，并得出最优结构形式。 7 河北科技大学硕士学位论文 毒；式罗 ，一。一。二 图1 _ 6 圆柱孔端面机械密封结构 f i g 1 - 6 s t r u c t u r eo f m e c h a n i c a lf a c es e a l sw i t hc y l i n d e rh o l e 尽管数值分析法可以准确模拟压力边界条件，计算微孔内外任意一点处的压力， 以揭示液膜压力分布，但对于液相圆柱孔端面机械密封，数值分析法无现成的算法 和计算机模拟分析软件，所以在进行机械密封液膜特性研究之前，必须完成算法研 究和程序调试。 本文运用有限差分法对圆柱孔端面机械密封进行数值分析，主要解决以下几方 面的问题： 1 ) 以前人的分析方法为基础，建立圆柱孔端面机械密封的分析模型。 2 1 采用有限差分法，以m a t l a b 语言编程，求解圆柱孔端面机械密封端面例流 体膜控制方程。 。 。 3 ) 分析讨论端面间液膜压力p 分布，以及端面结构参数( 微孔深径比及微孔密度 品) 和操作参数( 流体压力只，流体粘度，密封间隙h o 及转速，z ) 与液膜压力尸之间的关 系。 4 ) 推导端面间的开启力、液膜刚度、摩擦力矩和密封泄漏率的计算公式，分析计 算端面结构参数和操作参数对密封性能的影响规律。 8 o - ：| 缸一 o _ j 第2 章圆柱孔端面机械密封的流体力学分析 第2 章圆柱子l 端面机械密封的流体力学分析 在圆柱孔端面机械密封结构中，微孔就像微动力润滑轴承，当另一表面在其上 滑动时，在每个孔的上方及其周围区域就会产生类似油楔的动压效应，当液体动压 力与介质压力两者共同作用所形成的密封开启力超过闭合力时，就会使得两密封端 面完全分离，并在其间形成液膜，由于此时密封端面间为流体内摩擦，大大降低了 密封副的摩擦磨损，延长了密封寿命，进而达到优化密封性能的作用。对圆柱孔端 面机械密封进行流体力学分析，必须从动压型机械密封理论入手。 2 1流体动压型机械密封理论基础 在流体动压型机械密封中，流体动压力是由两密封端面间相对运动时槽的台阶 效应和输送效应引起的。以流体润滑理论为理论基础，其目的及关键是得到密封端 面间液膜压力的大小及分布规律。 流体动压润滑与流体静压润滑不同的是，流体薄膜中的压力是由两密封端面相 对滑动时把粘性流体卷入收敛的间隙中引起的【2 刀。端面向的流体动压润滑问题主要 指狭小间隙中粘性流体的流动问题，其基本方程是流体力学基本方程，简化后即可 得到描述流体膜润滑的方程。1 9 6 2 年，d o w s o n 对方称的简化进行了卓有成效的工作， 指出了流体润滑雷诺方程的不足，并结合连续性方程对n a v i e r - s t o k e s 方程进行简化， 进而提出7 一般形式的雷诺方程，该方程考虑了粘度和密度沿膜厚方向的变化【2 8 1 ， 可以研究更一般的变粘度和变密度润滑问题。 1 9 6 6 年，m u i j d e r m e n 对d o w s o n 提出的考虑粘度和密度沿膜厚方向变化的一般形 式的雷诺方程的坐标系进行了变化，互换了y 轴与z 轴，即将y 轴置于“垂直于运动和 接触面的方向，同时将x 轴也进行了相应变化，以便使坐标系依旧符合右手法则。 m u i j d e r m a n l 拘做法- 与1 9 5 7 年在伦敦举行的润滑会议上关于润滑问题定义、符号和单 位的规定相一致【2 9 】。 在进行流体动压型机械密封的理论研究时，通常采用两种方法，即解析法和数 值分析法，这两种方法各有其优劣。解析法的优点是能直接揭示物理模型的本质， 故是一种重要而简捷的研究方法，但其缺点是由于对控制方程精确求解有一定难度， 不得不进行必要的简化，进而使求解的结果与实际结果存在较大差距。数值分析法 随着电子计算机的出现和迅猛发展，已经成为研究动压型机械密封性能的重要手段。 求解雷诺方程的数值方法通常有两种方法，即有限差分法和有限单元法，两者各有 其特点f 3 0 】。 动压型机械密封属于非接触式机械密封。随着科技的进步，动压型机械密封理 9 河北科技大学硕士学位论文 论日趋完善，并出现了多种槽型的动压型机械密封端面，下面进行简要介绍。 王美华研究了人字形螺旋槽机械密封，如图2 1 所示，通过建立计算密封环分析 模型，用有限单元法得到了密封环的温度分布、力变形和热变形，进而为结构优化、 设计先进的机械密封提供了依据【3 l 】。胡丹梅等研究了直线槽端面气体密封，如图2 2 所示，建立了雷诺方程，并采用八节点有