（化工过程机械专业论文）机械密封补偿机构中辅助密封圈动态特性研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t b 4 2 学科分类号 5 3 0 3 l 论文编号1 0 0 1 0 2 0 1 2 0 6 4 l密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名于焕光学号 2 0 0 9 0 0 0 6 4 1 获学位专业名称化工过程机械获学位专业代码 0 8 0 7 0 6 国家“十二五”科技 课题来源研究方向流体密封 支撑计划 论文题目 机械密封补偿机构中辅助密封圈动态特性研究 关键词补偿机构，0 形辅助密封圈，c g t 组合密封圈，动态特性 论文答辩日期 2 0 1 2 5 2 9论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 张秋翔 高工北京化工大学 化工过程机械 评阅人1蔡纪宁高工北京4 e y - - 大学4 e z - - 过程机械 译阕入2李双喜副教授北京化工大学 化工过程机械 答辩委员会主席 钱才富教授北京化工大学化工过程机械 全国锅炉压力容器 答辩委员1陈朝晖高工 化工过程机械 标准委员会 答辩委员2蔡纪宁高工北京化工大学化工过程机械 答辩委员3陈平副教授北京4 e _ r - 大学化工过程机械 答辩委员4戴凌汉高工北京化工大学 化工过程机械 答辩委员5 段成红副教授北京化工大学化工过程机械 答辩委员6范德顺教授北京化工大学化工过程机械 征：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询。 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码申 查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 摘要 机械密封补偿机构中辅助密封圈动态特性研究 摘要 机械密封动态特性决定了机械密封的密封效果和使用寿命，而辅 助密封圈动态刚度和阻尼对机械密封的动态特性起到至关重要的作 用，影响着浮动环的追随性和补偿性。国内外对辅助密封圈动态特性 参数研究欠缺，本文对辅助密封圈动态特性展开研究。 本文设计了补偿机构处o 形辅助密封圈及t h eg r e e n e ，t w e e d c a p p e dr i n g ( c g t ) 组合密封圈的试验装置，通过松弛试验结合时 域到复频域的信号处理，得到了两种辅助密封圈轴向的、角向的动态 刚度及阻尼的关联式。试验研究了润滑状态、介质压力、振动频率和 振动幅度对两种辅助密封圈轴向的、角向的动态刚度及阻尼的影响规 律；分析了两种辅助密封圈动态刚度和阻尼随转速的变化规律。理论 上总结了辅助密封圈沟槽形状、压缩量及配合表面粗糙度对辅助密封 圈动态特性的影响。 获得补偿机构中辅助密封圈的动态刚度和阻尼能够解决整套机 械密封动态特性研究时简化辅助密封圈动态特性参数的问题。通过辅 助密封圈动态特性参数与端面间流体膜动态特性参数很好的匹配，能 够使整套机械密封的跳动主要发生在辅助密封圈和弹簧支撑处，保证 端而流体膜稳定。对控制机械密封的泄漏量有极其重要的现实意义。 北京化工大学硕士学位沦文 关键宇：补偿机构，0 形辅助密封圈，c g t 组合密封圈，动态特性 0 b s 劂c t i n v e s t i g a t i o no nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fa u x i l i a r ys e a l r i n g su s e di nc o m p e n s a t o r yc o n f i g u r a t i o no fm e c h a n i c a l f a c es e a l s a b s t r a c t t h es e a l a b i l i t ya n ds e r v i c el i f eo fm e c h a n i c a lf a c es e a l sa r e d e t e r m i n e db yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h ed y n a m i cs t i f f n e s sa n d d a m p i n gc o e f f i c i e n t so ft h ea u x i l i a r ys e a lr i n g su s e di nc o m p e n s a t o r y c o n f i g u r a t i o np l a y ac r u c i a l r o l e ，a f f e c t i n g t h e t r a c i n ga b i l i t ya n d c o m p e n s a t o r yo ft h ef l e x i b l ym o u n t e ds t a t o ro rr o t o r t h e r ei sal a c ko f i n v e s t i g a t i o no nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fa u x i l i a r ys e a lr i n g s i nt h i s p a p e r , t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fa u x i l i a r ys e a lr i n g sa r er e s e a r c h e d t h et e s tu n i t so f o r i n ga n dt h eg r e e n e ，t w e e dc a p p e dr i n g ( c g t ) h a v eb e e nd e s i g n e d t h ea x i a la n d a n g u l a rd y n a m i cs t i f f n e s s a n d d a m p i n gc o e f f i c i e n t so ft h eo - r i n ga n dc g t - r i n gu s e di nc o m p e n s a t o r y c o n f i g u r a t i o no f m e c h a n i c a lf a c es e a l sh a v eb e e ng o t t e nb yr e l a x a t i o nt e s t a n dd a t ap r o c e s s i n g t h ev a r i a t i o n so fb o t ha u x i l i a r ys e a lr i n g sd y n a m i c s t i f f n e s sa n dd a m p i n gw i t ht h ep r e s s u r e ，f r e q u e n c ya n dd i s p l a c e m e n t u n d e rd i f f e r e n tl u b r i c a t i o n ，h a v eb e e na n a l y z e d i nt h ee n d ，t h ec u r v e so f b o t ha u x i l i a r ys e a lt i n g sd y n a m i cs t i f f n e s sa n dd a m p i n gc h a n g i n gw i t h 1 1 1 北京化工大学硕：b 学位论文 e n g i n es p e e dh a v eb e e nd r a w n b a s e do np r e v i o u st h e o r yc a l c u l a t i o n r e s u l t s ，t h ei n f l u e n c e so fg r o o v e s s h a p e ，c o m p r e s s i o na n ds u r f a c e r o u g h n e s sh a v eb e e na n a l y z e d t h ep r o b l e mt h a tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f a u x i l i a r y s e a lr i n g sa r ei g n o r e dw h e nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm e c h a n i c a l f a c es e a l sa r er e s e a r c h e di ss o l v e d t om a i n t a i nt h es t a b i l i t yo ft h ef l u i d m e m b r a n e ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fa u x i l i a r ys e a lr i n g su s e di n c o m p e n s a t o r yc o n f i g u r a t i o na r eg o ta n dw e l lm a t c h e dw i t ht h ef l u i d m e m b r a n es t i f f n e s s ，a n dt h eh o pw i l la p p e a ri nt h ea u x i l i a r ys e a lr i n g s a n ds p r i n g s i ti sb e n e f i c i a lt oc o n t r o lt h em e c h a n i c a lf a c es e a ll e a k a g e a n dh a si m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：c o m p e n s a t o r yc o n f i g u r a t i o n ，o - r i n g ， c g t - r i n g ， d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s i v 目蒙 目录 第一章绪论1 1 。l 课题来源、研究背景及意义l 1 2 机械密封补偿机构中o 形辅助密封圈的工作原理1 1 3 辅助密封圈密封性能的国内外研究进展3 1 3 1 橡胶类辅助密封圈应力应变及摩擦磨损性能3 1 3 2 橡胶类辅助密封圈动态特性4 1 4 课题研究主要内容6 第二章机械密封补偿机构中。形辅助密封圈动态特性9 2 1o 形辅助密封圈动态特性参数的定义9 2 2 机械密封补偿机构中o 形辅助密封圈动态特性参数获得原理1 0 2 3o 形辅助密封圈动态特性试验装置ll 2 。3 1 松弛试验设备1l 2 - 3 2 试验单元1 3 2 3 3 压力供应系统1 4 2 3 4 数据采集系统1 6 2 40 形辅助密封圈松弛试验结果及处理1 7 2 4 10 形辅助密封圈松弛试验结果1 7 2 4 2o 形辅助密封圈松弛试验结果处理1 8 2 5o 形辅助密封圈动态特性参数的确定1 9 2 5 1 时域刚度到频域动态特性参数的转换1 9 2 5 2o 形辅助密封圈动态刚度和阻尼的确定2 1 2 60 形辅助密封圈动态特性参数的影响因素2 l 2 6 1 密封压力对o 形辅助密封圈动态特性参数的影响2 2 2 6 2 振动频率对0 形辅助密封圈动态特性参数的影响3 0 2 6 3 振动l 隔度对o 形辅助密封圈动态特性参数的影响3 7 2 6 4 润滑状态对o 形辅助密封圈动态特性参数的影响3 9 2 6 5 转速对o 形辅助密封圈动态特性参数的影响4 l 2 6 6 初始结构参数对o 形辅助密封圈动态特性参数的影响4 3 2 7 本章小结4 6 v 北京化工大学硕士学位论文 第三章c g t 组合密封圈动态特性研究4 9 3 1c g t 组合密封圈4 9 3 2c g t 组合密封圈的动态特性试验单元51 3 3c g t 组合密封圈动态特性参数的影响因素5 2 3 3 1 密封压力对c g t 组合密封圈动态特性参数的影响5 2 3 3 2 振动频率对c g t 组合密封圈动态特性参数的影响5 8 3 3 3 振动幅度对c g t 组合密封圈动态特性参数的影响6 l 3 3 4 润滑状态对c g t 组合密封圈动态特性参数的影响6 5 3 3 5 转速对c g t 组合密封圈动态特性参数的影响6 8 3 4 本章小结7 0 第四章全文总结及展望7 3 4 1 全文总结7 3 4 2 展望7 4 参考文献7 5 致谢7 9 研究成果及发表的学术论文。8 l 作者和导师简介8 3 v i c 0 l n t e n t s c h a p t e r 1o v e r v i e w l 1 1t h er e s e a f c ho r i g i n ，b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e i 1 2t h ep r i n c i p l eo r i n gu s e di nc o m p e n s a t o r yc o n f i g u r a t i o no f m e c h a n i c a ls e a l i 1 3d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c ho fa u x i l i a r ys e a l i n gp e r f o r m a n c e j 1 3 。1s t u d vo ns t r e s s s t r a i n ，t h ef r i c t i o na n d w e a rp r o p e r t i e so fr u b b e ra u x i l i a r ys e a l r i n g 3 1 3 。2d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ho f r u b b e ra u x i l i a r ys e a lr i n g - 4 14m a i nc o n t e n t 6 c h a p t e r 2t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f o _ r i n g u s e di n c o m p e n s a t o r yc o n f i g u r a t i o n o fm e c h a n i c a ls e a l 9 2 1d e f i n i t i o n so f o r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s y 2 2p r i n c i p l eo f g a i n i n go - r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 1 u 2 3e q u i p m e n t so fo r i n gd y n a m i ce x p e r i m e n t + 1 1 2 3 1e q u i p m e i l t so f f e l a x a t i o nt e s t l 1 2 3 。2e x p e r i m e n t a lu n i t s 1 3 2 3 3p r e s s u r es u p p l ys y s t e m 1 4 2 3 4d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m 一1 6 2 4t h er e s u l t sa n dp r o c e s s i n go f o o r i n gr e l a x a t i o nt e s t 1 7 2 4 1t h er e s u i t so f o r i n gr e l a x a t i o nt e s t 1 7 2 4 2t h er e s u l t sp r o c e s s i n go fo - r i n g r e l a x a t i o nt e s t 1 6 2 5t h ed e t e r n l i n a t i o no f o r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 1 9 2 5 1t h et r a n s f o m a t i o n 仔o mt i m ed o m a i n t of r e q u e n c yd o m a i n 1 9 2 5 2t h ed e t e 眦i n a t i o no f o r i n gd y n a m i cs t i f f n e s sa n dd a m p i n g 2 l 2 6t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f o r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s z l 2 6 1t h ei 越u e n c eo f p r e s s u r eo no r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s z z 2 6 2t h ei n f l u e n e eo f f r e q u e n c y o no r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 3 u 2 6 3t h ei n f u e n c eo f a m p l i t u d eo no r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s - j 2 6 4t h ei n f l u e n c eo fl u b r i c a t i o no no - r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s - 3 9 2 6 5t h ei n f l u e n c eo f r o a t es p e e do no r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 4 i 、，t t 北京化工大学硕士学位沦文 2 6 6t h ei n f l u e n c eo f i n i t i a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r s0 一r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 4 3 2 7c h a p t e rs u m m a r y 4 6 c h a p t e r 3i n v e s t i g a t i o no nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fc g t - r i n g 4 9 3 1t h ec g t - r i n gs t r u c t u r e 4 9 3 2e x p e r i m e n t a lu n i t e so f c g t - r i n ge x p e r i m e n t 5 1 3 3t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r so f c g t - r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 5 2 3 3 1t h ei n f l u e n c eo f p r e s s u r eo nc g t - r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 5 2 3 3 2t h ei n f l u e n c eo f f r e q u e n c yo i lc g t - r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 5 8 3 3 3t h ei n f l u e n c eo f a m p l i t u d eo nc g t - r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 6 1 3 3 4t h ei n f l u e n c eo f l u b r i c a t i o no nc g t - r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 6 5 3 3 5t h ei n f l u e n c eo f r o a t es p e e do nc g t - r i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s 6 8 ：；4c h a p t e rs u m m a r y 7 0 c h a p t e r 4c o n c l u s i o n sa n ds u g g e s t i o n s 7 3 4 1c o n c l u s i o n s 7 3 4 2s u g g e s t i o n s 7 4 r e f e r e n c e s 7 5 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 9 l i s to fp u b l i s h e dp a p e r s 81 薹沁s u m eo fa u t h o ra n dm e n t o r 8 3 v 1 1 i 符蟹说明 符号说明 初始压力，m p a 介质作用接触压力，m p a 测压系数 材料的泊松比 材料常数 弹性模量，m p a 剪切模量，m p a 拉伸强度，k g f c m 之 最大负荷，k g f 截面面积，c 瑚【- 2 断裂伸长率， 标点间的距离，c m 断裂后标点间距离，c m 压缩永久变形率， 原始高度，m m 压缩状态下高度，m m 释放后高度，m m 时域内的冈度值，n m q 轴向动态刚度值，n m - 1 轴向动态阻尼值，n s m - 1 角向动态刚度值，n m r a d 角向动态阻尼值，n m s r a d 。 转速，r a d s 。 i x g 小小 脚 咖 几瓴r秒e g五层么易厶厶傩红吃驯一一缈 j 匕东化工大学硕士学位沦文 x 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源、研究背景及意义 本课题源于国家“十二五 科技支撑计划重点项目“关键基础件和遥用部件” 中的“高参数泵机械密封装置关键技术研究与应用 。本课题主要涉及“典型高 参数稻化泵用理论分析研究以及核主泵用机械密封以及辅助密封深入研究。 综合考虑核电站主泵以及干气密封高转速( 主泵转速1 5 0 0 r a d m i n ) 、高边界 压差和高环境温度的使用工况，低泄漏量、稳定界面温度控制和长使用寿命的使 用要求，高参数泵用机械密封的动态特性研究被列入国家科技支撑计划。2 0 0 0 年以后，人们对机械密封系统的稳态特性、动态特性、自振稳定性、跟踪振动响 应、及热和力变形方面的研究逐渐展开【1 棚。就机械密封振动系统来说，激励由 密封介质压力波动、温度变化、外界振源和旋转轴偏心等因素产生；研究内容涉 及弹簧【5 j 、辅助密封圈以及密封端面的流体膜【6 。3 】的动态特性参数计算。 机械密封动态特性决定了机械密封的密封效果和使用寿命，而辅助密封圈动 态刚度和阻尼对机械密封的动态特性起到至关重要的作用，影响着浮动环的追随 性和补偿性。但是由于辅助密封圈动态特性参数获得方法困难，并且国内外对辅 助密封圈动态特性研究欠缺，使得机械密封动态特性研究过程中不得不简化辅助 密封圈的作用。针对这一问题，本文对辅助密封圈动态特性展歼研究。 本文得到补偿机构中o 形和c g t 形辅助密封圈的动态刚度和阻尼，能够解 决整套机械密封动态特性研究时忽略辅助密封圈动态特性的问题。并且通过辅助 密封圈动态特性参数与端面间气膜液膜动态特性参数很好的匹配，能够使浮动 环的跳动主要发生在辅助密封圈和弹簧支撑处，保证端面气膜液膜的稳定。对 控制机械密封的泄漏量有精极其重要的现实意义。 1 2 机械密封补偿机构中。形辅劲密封圈的工作原理 机械密封补偿机构( 浮动环) 中o 形辅助密封圈属于径向自紧式接触【1 4 , 1 5 辅助密封，工作时凭借初始压缩量和介质压力作用产生弹塑性形变，起到密封作 用。 北京化：【：大学硕，f ：学位沦文 匿力p = o 压力p 0 图i - 10 形圈辅助密封示意网 f i g 1 - 1p r i n c i p l eo for i n gs e a l 如图1 1 所示，o 形辅助密封圈工作状态下接触压力为： 成2 或d + 印。 ( 1 - 1 ) 式中，p 棚为o 形辅助密封圈预安装条件下产生的平均压力，称之为预接触 压力，m p a ； 卸。为介质压力迫使o 形辅助密封圈二次变形，间接作用在接触面的压力， 称之为介质作用压力， m p a 。 卸。= t o p ， ( 1 - 2 ) 7 j 其中r 2 f 石为测压系数，d 为泊松比；橡胶类辅助密封圈r 1 ( 盯= 0 9 0 9 8 5 ) ，u = 0 4 8 7 - - 0 4 9 6 。p ，为工作状态下的介质压力， m p a 。 工作状态下密封分质压力增加或者减少，密封面间接触压力卸。因0 形辅助 密封圈压缩量增大或减小而同步变化，只要满足见、 p ，的条件，0 形辅助密封 圈就能够实现无泄漏。 静环 心 夕 图1 - 2 浮动环简图 f i g 1 - 2f l e x i b l ym o u n t e dr o t o rm e c h a n i c a ls e a l 第靠绪论 i n m t 图1 3 机械密封系统振动物理模型 f i g 1 - 3v i b r a t i o np h y s i c a lm o d e lo fm e c h a n i c a ls e a ls y s t e m 图1 2 是机械密封补偿机构( 浮动环) 中o 形辅助密封圈的安装示意图。与 静密封不同的是，该处的密封圈有微动，这种微动来源于主轴轴向的位移和浮动 环的摆动。其中浮动环的摆动体现在章动和进动两种形式。非接触式机械密封要 求浮动环对配偶端两能够跟踪响应，保证端面间的流体膜不发生太大变化，以控 制泄漏量。 如图1 3 所示，日前对非接触型机械密封做动态特性研究常把辅助密封圈作 为弹性元件和阻尼元件【粥】。最理想的设计是将浮动环背后的弹簧、辅助密封圈 与端面间的流体膜进行很好的刚度匹配，使浮动环的大跳动主要发生在弹簧和辅 助密封圈处，保证流体膜的厚度。因此，对该处的辅助密封圈进行动态特性研究， 对非接触型机械密封的动态特性研究具有重要的现实意义。 1 3 辅助密封圈密封性能的国内外研究进展 国内外学者对辅助密封圈的研究包括稳态特性和动态特性两方面。稳态特性 基本只研究辅助密封圈安装及工作状态下的应力、应变、位移及摩擦磨损，对瀣 度场和应力场的耦合分析研究很少。动态特性基本上将辅助密封圈作为弹性元件 和阻尼元件，研究其动态的阻尼和刚度。 1 3 1 橡胶类辅助密封圈应力应变及摩擦磨损性能 在辅助密封圈应力应变分析方面，n e o h o o k e a n 应变能函数、e x p o n e n t i a l h y p e r b o l i c 法则以及m o o n e y - r i v i l i n 、k l o s e n r - s e g a l 模型和o g d e n t s c h o e g l 模型 是研究橡胶超弹性材料力学性能的典型方法 1 6 - 1 9 】。在橡胶材料辅助密封圈分析计 算上国内外多采用m o o n e y - r i v i l i n 理论，该理论建立了材料应变能、应力和应变 的函数关系式。应变能密度函数表述如下： 北采化工大学硕士学位论文 矽= c l ( 1 1 - 3 ) + c 2 厶瑚+ 码一1 ( 1 - 3 ) 式中，c l 和q 为橡胶材料m o o n e y r i v i l i n 常数，由拉压试验数据计算获得；l # 为 应变不变量，3 = 1 ；k 为体积弹性模量。应力的表达式为： s b = 刁w 内e g = 2 a w a c v 式中，氐为第二p i l o k i r c h h o f f 直j j 张量；形为修正的应变能函数； 朗日非对称应力张量分量定义；q 为c a u c h y - g r e e 形变张量分量。 ( 1 4 ) 岛采用拉格 在上述理论的基础上，国内外学者对辅助密封圈的仿真及试验研究取得了令 人满意的成果。吕和祥 2 0 】，左正兴、廖日东等犯n ，穆志韬、刑耀国f 2 2 1 ，周志鸿、 张康雷、李静等瞄】利用a n s y s 分析计算了不同油压条件下o 形辅助密封圈的 应变变形、应力分布和接触面积，从应力应变方面分析了o 形辅助密封圈的密 封性能及寿命问题。h a i s eh ，h a a sw 等【2 4 ，2 5 】利用m a r c m e n t a t 3 2 0 对o 形 辅助密封圈不同油压下的密封性能进行了分析。时至今日，经过凡代人的努力， 辅助密封圈掰前使用压力范围内的应力及变形计算已经能够满足实际需要。 在求得应力及变形的基础上，有学者对o 形辅助密封圈微动时的摩擦力又 做了进一步的研究。任全彬等【2 6 】在前人基础上加入摩擦接触条件，引入应力松 弛模型，使得仿真较实际工况更进步。通过引入摩擦接触条件可以观察到o 形辅助密封圈的应力云图及位移云图发生变化。2 0 1 0 年李双喜、蔡纪宁、张秋 翔等【2 借助m s c m a r c 计算了o 形辅助密封圈工作状态下的应力分布和接触 面积，结合i n s t r o n 高频疲劳试验机的拉伸试验，获得了丁腈橡胶o 形辅助密 封圈的摩擦系数，分析了其摩擦磨损性能和密封性能的关系。本课题在此基础上 继续展多：l ：。 1 3 2 橡胶类辅助密封圈动态特性 在动态特性研究的理论模型方面，通过扩展k e l v i n v i o g t 模型内的表达参数， 发展起来的m a x w e l l 模型和三参数m a x w e l l 模型熊够更精确地预测粘弹性橡胶 材料高频下动态特性1 2 8 - 3 0 】。由于粘弹性橡胶材料采用上述模型需要定义太多参 数，b a g l e y 引入分数导数的概念，既有效地表征了粘弹性橡胶材料动态特性的频 率相关性，又减少了用于表述模型的参数。 橡胶材料在低频振动试验中明显表现出动态特性的振幅相关性，这是由于橡 胶生产过程中添加了炭黑补强填充剂。动态特性的振幅相关性要求对上述模型进 行修正才能保证分析的精确性。b e r g 建立了更精确的橡胶隔振器动态特性模型， 该模型的弹性特性用线弹性力体现，振幅相关性用库仑摩擦力体现，频率相关性 4 第一章绪论 用改进的k e l v i n v o i g t 粘性力描述。s j o b e r g 在b e r g 模型基础上继续优化，引入 分数导数概念，更好地摘述橡胶动态特性的频率相关性3 1 3 射。上述模型用于研究 复杂特征的橡胶隔振器仍然存在困难，体现在匹配橡胶的超弹性特征时存在误 差。但是用予橡胶类辅助密封圈动态特性的研究，精度已经能够满足当下要求。 试验方面，王成林、张敬之、马斌等【3 5 】利用基础激振、共振质量法( b e r m 法) 测试了阻尼橡胶圈的动态特性。该试验的测试原理如下： 试验用物体质量为m ，其运动方程描述如下： m y + c ( y 7 一x ，) + k ( y x ) = 0 ( 1 5 ) 用式( 1 6 ) 和( 1 7 ) 描述振动台、参振物体的激励： x = x o e 泐 ( 1 6 ) y = y o e 甜一妒 ( 1 7 ) 联立( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 方程组得： 站：m o f ( a 2 - a c o sr p )( 1 8 ) 一= _ 一 i - 6 ， 一2 c r c o s 移+ l 撑l 疗v z s i n 缈 c = 丁二l = ( 1 - 9 ) 口2 2 口c o s 够+ l 、 其振幅之比为： 历= 丝= 之( 1 1 0 ) x o 工 损耗因子计算公式： ：掣 ( 1 1 1 ) 试验过程中需要采集振动台的加速度值、参振物体的加速度值以及二者的相 位麓缈，通过数据处理计算阻尼橡胶圈的刚度系数k 和阻尼系数c 。试验研究了 阻尼橡胶圈刚度系数和阻尼系数随振动频率的变化规德，发现在振动频率增加的 情况下，获褥的上述两系数也相应增加，但损耗系数下降。 潘孝勇等 3 6 1 建立新的非线性模型，采用弹性力、粘弹性力和摩擦力描述力 与位移的三重关系：建立弹性力模型、库伦摩擦模型和分数导数模型。 采用分数导数模型，吴杰、上官文斌旧进行了单自由度振动系统的自由振 动和阶跃激励的时域响应。通过与其他理论模型分析结果对比，证明分数导数模 型较之前的理论在撼述粘弹性橡胶材料动态特征量与振动频率和振动幅度的相 关性更加精确。 在2 0 0 8 年，康从会等删繁于l a b v i e w 平台设计了数据分析系统，采用 北京化工大学硕士学位论文 d a q p a d 6 0 7 0 e 实现振动试验数据的高速采集，通过1 3 9 4 数据卡连接了数据采 集系统和数据分析系统。l a b v i e w 7 0 对试验数据进行分析处理时能够自动修j e 试验误差，绘制试验所得橡胶材料的动态特性睦珏线。 关于橡胶类辅助密封圈动态特性研究的国内学者稀少，国外学者t z h a k g r e e n i 、e t s i o n 、l e e 以及r o g e rm b a m s b y 等人先后研究了二级密封动态特性的理论， 后期又采用试验的方式获得二级密封的动态刚度和阻尼。其中一部分内容是对o 形辅助密封圈动态特性参数的研究，但试验不够简便，难以控制数据采集精度。 1 9 8 6 年，g r e e n 和e t s i o n 3 9 蜓立频率激励模型( af r e q u e n c ye x c i t a t i o nm e t h o d ) ， 试验测量o 形辅助密封圈往复微动情况下的刚度和阻尼系数，并将刚度和阻尼 公式假定成经验公式： q 。：a a p ( 1 1 2 ) 玩= a m b ( 1 1 3 ) 这种方法的不足之处在于其初始静态刚度预测值与实际相差甚远，并且刚度 随频率变化没有极限值。 1 9 9 1 年，g r e e n 和s z u m s k i 4 0 】综合了粘弹性的应力一应变方程、整合o 形圈 几何边界条件和力位移方程，对上述理论有所改进。 1 9 9 5 年，a ns u n gl e e 和i t z h a kg r e e n 4 1 在g r e e n 和s z u m s k i 研究的基础上提 出了测量o 形密封圈刚度和阻尼系数的新方案。通过对时域内获得的数据进行 频域分析，获得。形圈的刚度和阻尼系数。该试验的外界环境是常温、标准大 气压下，密封压力能够调节，试验获得的只是o 形密封圈的轴向刚度和阻尼， 角向刚度和阻尼值仍旧需要推算。 上述试验单元和试验设备相对复杂，并且不太适合国内的研究情况。本文设 计了新的试验单元，采用常用设备完成加载和数据采集。介质压力、振动频率和 振动幅度的设置尽可能模拟主泵工况参数，试验数据具有实际意义。 1 4 课题研究主要内容 本课题借鉴液压元件用o 形圈的静态应力应变分卡斥以及橡胶类材料动态特 性理论分析结果，对机械密封补偿机构( 浮动环) 中o 形辅助密封圈和c g t 组 合密封圈的动态分析展开研究。主要完成以下内容： ( 1 ) 设计补偿机构处o 形辅助密封圈及c g t 组合密封圈的试验装置，通过松 弛试验结合时域到复频域的信号处理，得到两种辅助密封圈轴向的、角向的动态 刚度及阻尼的关联式。 6 第一章绪论 ( 2 ) 试验研究润滑状态、介质压力、振动频率和振动幅度对两种辅助密封圈轴 向的、角向的动态刚度及阻尼的影响规律；理论上总结辅助密封圈沟槽形状、压 缩量及配合表面粗糙度对辅助密封圈动态特性的影响。 ( 3 ) n 核电站主泵密封运行工况为例，建立该规格o 形圈辅助密封圈和c g t 组合密封圈轴向的、角向的动态刚度和阻尼关联式。获得两种辅助密封圈轴向的 动态刚度和阻尼与主泵转速彩的关系曲线，分析主泵转速缈对补偿机构中o 形 辅助密封圈和c g t 组合密封圈动态特性参数的影响规律。 北京化工大学硕士学位论文 8 第二章机械密封补偿机构中o 形辅助密封圈动态特性 第二章机械密封补偿机构中。形辅助密封圈动态特性 机械密封补偿机构( 浮动环) 中辅助密封圈的动态特性参数对机械密封浮动 环的追随性和补偿性起着至关重要的作用。通过设计辅助密封圈或者弹簧合适的 刚度和阻尼值，将之与端西间流体膜的动态特性参数进行很好的匹配，使得振动 主要发生在补偿机构( 浮动环) 中的辅助密封圈或者弹簧上，来保证流体膜厚度 的稳定。 本章推导获得辅助密封圈动态特性参数的方法，试验研究了o 形辅助密封 圈动态特性参数的影响因素。 2 10 形辅助密封圈动态特性参数的定义 根据经典的端面机械密封动态特性分析理论【4 2 郴】，端面机械密封系统包括三 个独立自由度的扰动，即沿轴向( z 轴) 的轴向移动、绕x 轴的角向摆动0 【和绕 y 轴的角向摆