（化工过程机械专业论文）基于弹性微极流体润滑理论机械密封混合摩擦的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 在机械密封装置中，除了轻载、高速或高粘工况的机械密封处于全膜流体润 滑状态外，实际运转中的机械密封绝大部分是在混合摩擦状态下工作。实际上机 械密封的密封端面都是凸凹不平的粗糙表面，而密封面间的液膜都是极薄的，基 本上是与表面粗糙度处于同一数量级。自薄膜润滑概念提出以来，对它的研究有 了很大的发展，薄膜润滑在表观上体现为膜厚很小，接近润滑分子微粒的尺度， 因而与弹性流体润滑相比，它需要考虑微粒的尺度效应。 首先本文基于机械密封混合摩擦模型，考虑弹性微极流体效应对机械密封混 合摩擦的影响，建立了合理的弹性微极流体点接触的二维数学模型，用有限差分 法和c 语言自行编程，求解点接触雷诺二维控制方程，获得了不同微极参数下流 场的压力分布和油膜厚度图等。 但将弹性润滑理论应用于机械密封的研究，再之弹流润滑问题的求解涉及到 弹性变形和流体动力润滑之间的多物理量耦合作用的分析，没有现成的商业软件 可直接解决这个问题，计算难度相当大，因此对该问题的研究并不多见h 。因而 开展对机械密封在弹流润滑微极流场混合摩擦的研究有着重要的实际意义。 另外，防漏问题是机械密封的根本，泄漏量的计算显得尤为重要，所以对密 封间隙的流场的研究具有现实意义。在考虑弹性微极流体效应下，油膜厚度和摩 擦系数均有较大数值，这表明微极流体效应可以增加润滑膜的承载能力和液体的 粘度。而泄漏量较小，这表明微极流体润滑的密封性能好，且与工程实际泄漏量 相吻合。利用微极流体理论可以很好地预期薄膜润滑的特性，在考虑微极性情况 下油膜厚度大于弹流理论预期值。有序分子膜的存在所起的作用相当于增加润滑 剂的粘度，因而可以增加润滑膜厚的承载能力。本文给出的结果对机械密封的优 化设计和使用具有指导意义。 关键词：机械密封；微极流体；混合摩擦；弹性润滑；数值模拟 基于弹性微极流体机械密封混合摩擦的研究 a b s t r a c t l na d d i t i o nt om e c h 枷c 甜s e a l so fl i g h t 1 0 a d ， h i g l l - s p e c do rb l o o dc o n d i t i o ni nt h es t a t c o ft h ew h o l e1 e i l ml u b r i c a t i o nn u i d ， t h em o s t0 ff 矗c t i o ni si nt h ew o r ko ft h em i x e ds t a t ei n t h ea c t l l a lf u n c t i 劬g0 ft h em c c h 锄i c a ls e a ji nt h em c c h 锄i c a ls 船li n s t a l l a t i o n s a c t u a l l yt h e m e c h a n i c a ls e a le n d s 踟旧r o u g hs u m c e 觚dt h es e a l i n gs u d a c eo ft h ef i l mi st “me x t r c m e l y 柚dt h es u r f a c cr o u g h n e 豁i sb 舔i c a li nt h cs 锄eo r d e ro ft i l a 嘶t l l d e a f t c rt h ec o n c e p to ft h e f i l ml u b r i c a t i 帆i sr a i s c d ，i th 弱b e 皿g r c a td c v e l o p c d 皿et h i nf i l ml u b r i c a l i o ni s 锄a l li n t h ea p p 扣e n tt h j e k n e s s 如dd o s et ob el u b r i c a t e dm o l e c u l e - s c a l ep 删d e s ，s 0i tn e e d st 0 c o n s i d e rt h ee f ! f b c ：t so fp a i t i c u l a t cs t a n d a r d s f i r s t0 fa l l ，i i l “sa n i c l ci ti sb a s e do nn 圮m e d h a n i c a ls e a lm i x e df r i c t i o nm o d e la n d c 0 潞i d e r c dt h ee l 嬲t i d t ym i c me x 仃e m e l yh y d r o d y n a m i ce f f e c tt 0t h em e c h a n i c a l a lm i 】【c d 伍c t i o ni n n u e n c c ，锄de s t a b l i s h e dt h e 北舔o n a b l ce l 弱t i cm i 啪c x t r e m e l vn u i dc o n t 积 t w r 0 d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c a lm o d e l a n di ti su s e do ft h ef i n i t ed i f f e r c n c em e t h o d 锄dt h ec l 柚g u a g c ， 锄ds o l v e st h er e y n o l d 锕o - d i m e 璐i o n a l l9 0 v e m i n ge q u a t i o n ，柚dt h c no b t a i n e d t h ei n t e m a ln o w6 e l dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n dt h el u b r i 啪t 胁t h i c k n e s sc h a nu n d e rt h e d i f ! f e r e n tm i c r 0c x t r c m e l yp a 姗e t c r b u tt h ef l e x i b l em e c h 柚i c a ls e a l l u b r i c a t i o nt h e o r yi sa p p l i e dt 0t h es t l l d vo ft h ee h lt o s o l v es o m ea n a l v s i so fe l a s t i cd e f b 皿a t i o na n dh y d r o d y n a i i l i cl u b r i c a t i o nb e t w r e e nt h er o l eo f t h em u n i p 猢c t 盯t h e r ca r cn o 锄m e r c i a lo f f 二t h e s h e l fs 0 缸w a r e 柚ds o l v et h i sp r o b l e m ， a n di ti sv e r yd i f 丘c u nc a l c u l a t i o n 锄dt h es t u d yo ft h ei s s u er 锄c t h u si nt h em e c h a n i c a ls e a l 如dt h ee hl ，v e r ym i 】【c d 伍c t i o nm o l b i l em a r k e tr e s e a “h ， i th a si m p o n a n tp r 拟i c a l s i 鲥f i c a n c c i i la d d i t i 锄，l e a ki sf l l n d 锄e n t a lp r o b l e mi nm e c ：h a n i c a ls e 习i l s ，姐dt h ec a l c u l a t i o no f t h el e a l 【a g ci si n l p o n 枷p a n i c i l l 盯l y s ot h es t u d y 叩恤s e a lg a po ft h en o w6 e l di sv e 巧 s i 鲥f i 啪t u n d e rc o n s i d e 血gt h ef l u i d - c l a s t i ce f f e c t s0 ft h e0 i lf i l mt h i d 【i l e s s 雒dt h ef n c t i o n c 0 e f ! f i c i e n ta r em o r ev a l u e ns h o w st h a tt h en u i de f ! e e c = t sc a ni n c r e a s et h ec a r f y i n gc a p a c i t yo f f i l m 锄dl i q u i dv i s c o s i t y i ft h el e a k a 目ei ss m a n e r ，i ts h o w st h a tt h ee f ! f e c lo fm i c r o - l u b f i c a t i o nf l u i ds e a l i n gi s v e r vg o o d a n di tc a nw o r kw e nw i t ht h ea c t u a ll e a k a g e0 fa n 勰t o m o s i s u s i l l 2t l l e m i c f 0 - n u i dt h e o r ym a vb ce x p e c t e dv e r yw e ut of i l ml u b r i c a t i o np r o p e n i 鹤u n d e r c o n s i d e r i n gt h em i c r 0c i r c u m s t 锄c e s ， t h ep o l 盯f i l mt h i c k n e s si sg r e a t c rt h 髓e h lt h e o r e t i c a l e x p e c 肋t i o n s t h ep r e s e n c co fm o l e c i l l 盯m e m b r 锄ei se q u a lt oi n c r c 勰et l l el u b r i c a l l tv i s c 0 s i t y ， t h e ni t c 锄i n c r e 弱et h ec a q i n gc a p a c i t yo fl u b r i c a t i n gf i l mt l l i c l 【i l e 蹒ni ss i 萨i f i c a n tt h a tt h j sp a p e r r a i s e dt h er c s u l t sf o rt h em e c h a n i c a ls e a lt od e s i 譬皿觚du s e k e y w o r d s：m e c h a n i c a ls e a l ；m i c i d p o l a rn u i d s ；m i x i n gf 订c t i o n ；e l a s t i ci u b r i c a t i o n ； n u m e c a ls i m u i a t i o n i l 硕士学位论文 插图索引 图1 1 机械端面密封结构示意图9 图1 2 两接触体接触图1 2 图1 3 接触点截面形状n 一1 2 阻2 1 焊接金属波纹管机械密封基本结构1 7 图3 1 动环轴向受力状态2 5 图3 2 端面摩擦机理的微观模型2 6 图3 3 流体交换流动理论2 7 图3 4 迈尔摩擦状态判断法2 8 图4 1 光滑表面和理想粗糙表面的接触3 1 图4 2 实际粗糙表面之间的接触3 2 图4 3 直角坐标系3 8 l - 图4 4 压力流量因子丸和膜厚参数兰关系3 9 仃 图4 5 光滑表面与粗糙表面相对滑动时的剪切流量因子3 9 图4 6 中心膜厚与膜厚比3 9 图4 7 密封端面受力图4 1 图4 8 两板间隙间流体力学模型4 1 图4 9 极坐标与直角坐标转化4 2 图4 1 0 密封环的几何模型4 2 图5 1 典型的内节点4 6 图5 2 复合直接迭代法的计算机流程简图4 8 图5 3 计算区域d 4 9 图5 4 薄膜润滑的膜厚分布5 2 图5 5 薄膜润滑的液膜压力分布5 2 图5 6 密封端面弹性接触的压力分布图5 2 图5 7 不同微极参数下薄膜润滑的液膜压力分布5 3 图5 ：8 液膜压力周向分布剖面图5 4 图5 9 液膜压力径向分布剖面图5 4 图5 1 0 径向速度分布图5 4 i i i 基于弹性微极流体机械密封混合摩擦的研究 附表索引 表3 1 机械密封端面摩擦状态和摩擦系数2 8 表5 1 参数表1 5 l 表5 2 参数表2 一5 2 表5 3 三种模型计算数值5 5 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：秭番平 日期：卅年版月 万日 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。 本人授权兰州理工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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“) 日期：凋年7 久月多日 日期：勿刁年，z 月占日 l v 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 弹性微极流体润滑理论应用于机械密封中发展的历史和趋势 机械端面密封( m e c h a n i c a lf a c es e a l ) 是一种轴向端面密封，也称机械密封， 或端面密封，是常用的旋转轴密封，尤其在石油化工装置中应用极为普遍。与其 它密封相比，它具有泄漏少、摩擦磨损小、使用寿命长、可靠性好、无需日常维 护等特点。因此，在现代工业中得到了极为广泛的应用。此外，许多高压、高温、 高速、易燃、易爆、易腐蚀性介质等工况下也取得了较好的使用效果。 国内外研究现状表明：在国外，线接触弹流润滑理论基础己经奠定，现已主 要关注于点接触弹流润滑理论的耦合理论研究，并与试验紧密结合，理论研究成 果的实用性很强：在国内，仍主要集中于线接触弹流润滑问题的求解，对于点接 触弹流润滑理论耦合分析则比线接触弹流润滑问题研究晚十多年研究，且研究理 论大多不能解决日益复杂的实际问题。要摆脱机械密封技术的落后，深入理论研 究很有必要，系统耦合分析则可作为关键的切入点。就理论研究本身而言，通过 对机械密封装置进行系统的耦合分析，一方面可以弥补国内在耦合理论研究上的 不足，另一方面还可以与国际上的研究主流接轨，以便更好地借鉴国外的先进研 究思想和理论从工程意义上讲，系统的耦合分析将有助于全面掌握各因素对机 械密封性能的影响程度大小，便于提出相关的改进措施，以提高机械密封装置的 密封性能。 1 1 1 国内外弹流理论研究现状 线接触全膜等温弹流问题是人们最早着手研究的。1 9 1 6 年m a n i n ，h m 在 研究齿轮的润滑问题时，曾把接触面当成刚体，设润滑油粘度不因压力改变而改 变，按一般的流体动力润滑理论进行了分析，计算结果未能真正反映油膜的大小。 i l j i 纠1 9 4 9 年r p y 6 n h ，a h 既考虑了接触面按干接触的h e n z 变形，又考虑粘 度随压力的变化，提出了弹性膜厚的第一个近似解，这被公认为弹流历史的开端。 1 9 5 9 年以后，d o w s o n ，d p j 和h i g 西n s o n ，g r 1 卅以及w h i t a k e r ，a v 发 表了线接触弹流理论，进行了一系列数值计算，提出了使用的膜厚公式。1 9 6 8 年 h e f r e b r u g h ，k l 1 l 7j 把弹流问题化为一个解积分方程的问题，对弹性一等粘润 滑状态提出了一个等温解。1 9 8 5 年张鹏顺分析了现有各膜厚公式的局限性，提出 了使用于各润滑状态的统一的膜厚公式和一张修正的润滑状态图。目前，稳态等 温线接触全膜弹流理论已比较成熟；可是，非稳态弹流的研究仍开展得很少。十 多年前，仅有一些纯挤压膜和近似的算法。近十年来，许多研究者都对非稳态弹 流开展了研究工作，其中我国成果突出。 基于弹性微极流体机械密封混合摩擦的研究 在线接触热弹流的研究方面，最早在1 9 6 5 年c h e n g ，h s 【2 2 】等以及d o w s o n ， d 【1 3 j 等分别都提出了完整的数值解。由于热弹流计算复杂，而膜厚又主要取决于 入口区的条件，因此，许多人如g r e e n w o o d ，j a 等( 1 9 7 3 ) ，m u r c h ，l e 和 w i l s o n ，w r d ( 1 9 7 5 ) ，b l o k ，h ( 1 9 7 8 ) 【1 4 j 等分别都用r p y 6 n h 形的入口区 热分析，提出了热弹流的近似膜厚公式。 点接触等温全膜弹流的研究比线接触起步晚十多年。与线接触类似，先从 r p y 6 n h 型分析开始。1 9 6 5 年觚h a r d ，j f 和c o w k i n g ，e w 1 1 2 l 提出了第 一个近似解。1 9 7 0 年c h e n g ，h s 【7 j 也用t p y 6 n h 型分析对椭圆接触提出了一 个近似解。1 9 7 1 9 7 8 年h a m r o c k ，b j 和d o w s o n ，d 1 2 9 】连续发表了六篇文章， 对等温的椭圆接触作了大量的分析和完全的数值计算，提出了实用的膜厚公式和 点接触的弹流润滑状态图，奠定了点接触弹流的理论基础。但他们的顺解法只适 用于中、轻载，很难用于重载。1 9 8 2 年e v a n s ，h p 和s n i d l e ，r w 1 2 2 2 3 j 采用逆解法对重载下点接触弹流进行了求解。1 9 8 4 年0 h ，k p f 2 l 】用有限元法 对非稳态的动载点接触弹流问题用n e w t o n r a p h s o n 法进行了求解。目前稳态弹流 的点接触全膜理论已基本成熟，但非稳态弹流仍需继续研究。 点接触的热弹流研究直到8 0 年代才刚刚开始。1 9 8 2 年b m g g e m 觚n ，h 【2 6 】 等对椭圆接触求解了温度场。1 9 8 4 和1 9 8 7 年朱东及侯克平等【3 2 】对点接触热弹流分 别用顺解法及逆解法求得了完全的数值解。1 9 8 4 年o h ，k p 及1 9 8 9 年吴永伟 等分别对非稳态点接触等温弹流进行了计算；1 9 8 9 年杨沛然等【3 4 l 对非稳态点接触 热弹流也进行了计算。但这方面的研究成果仍很有限。 粗糙面间弹流问题的研究是从7 0 年代开始的。在宏观弹流方面，1 9 6 9 年 c h i r s t e n s e n ，h 【2 0 2 1 】提出了一维粗糙面问流体动力润滑的随机模型。1 9 7 2 年 t a l l i a n ，t e 提出了部分膜弹流的第一个理论。接着一些人用上述模型进行了 求解。1 9 7 8 年p a t i r ，n 和c h e n g ，h s 1 2 8 】提出了三维粗糙面间的平均流量模 型，给出了平均的雷诺方程。对于两维粗糙面间弹流问题的求解主要用两种方法： 一是摄动法求解，如1 9 8 2 和1 9 8 4 年b u s h ，a w 等对粗糙面间线、点接触的弹 流求出了全膜解：二是采用平均流量模型数值求解，如1 9 7 8 年p a t i r ，n 和c h e n g ， h s 对部分弹流入口半区进行的完全数值计算。1 9 8 2 年m a i u m d a r ，b c 等 也用平均流量对线接触部分弹流求得了完全的数值解，可惜有些结论存在问题。 1 9 8 7 年张鹏顺和汪久根【3 1j 对线接触部分弹流进行多种工况的数值计算，并首次提 出了中心和最小膜厚公式以及接触载荷公式，还给出了压力的规律。1 9 8 8 年张鹏 顺1 3 l j 和翟文杰以及朱东和郑绪云分别都对点接触部分弹流进行了完全的数值计 算，总结出了一些规律。 温诗铸和张鹏顺等人对椭圆和线接触进行了完全数值解分析。k i m 和s a d e g h i 对牛顿体点接触弹流问题进行了三维热分析，他们还用j o h n s o n 和t e v a a 刑e r k ( j t ) 2 硕士学位论文 模型进行了等温弹流研究。弹流润滑区内润滑剂的切应变率很高、压力很高，润 滑剂呈现固化或称玻璃态转化现象。 虽然弹流问题在机器零件的运动副的接触面间的研究早已开始，但在机械密 封方面的研究和应用却很晚，直到1 9 7 7 年l e b e c k 首次提出了接触式机械密封中同 时考虑一维的纵向粗糙度和环向波度作用的混合摩擦模型之后，利用新方法重新 对实验数据作了分析与评价，并导出了平行面混合摩擦和波度混合摩擦模型“结果 表明，许多有用的摩擦数据都处在无流体动压效应的混合摩擦模型与波度密封混 合摩擦模型所预计的极限之间”最重要的结果是，混合摩擦模型可以用来解释在相 同的工况参数下为什么有些密封可以在较低的摩擦状态下运转“最终混合摩擦模型 表明了常用密封设计的真实极限”。 近年来国内也有一些学者对机械密封混合摩擦模型进行了研究。杨惠霞，顾 永泉1 9 9 4 年提出了同时考虑机械密封端面的径向锥度、环向波度、各向同性的表 面粗糙度以及油膜发散区的空化作用的两维混合摩擦模型，该模型中对微凸体的 接触承载采用的是弹性变形模型【4 引。在此模型基础上，1 9 9 8 年又提出了考虑微凸 体塑性变形的接触式机械密封的二维混合摩擦模型，这一模型更接近于常用的密 封环一硬一软配对的接触式机械密封的实际运转工况，能较好地预测接触式机械 密封的工作特性【4 7 1 。葛培琪等根据雷诺方程和弹性固体接触模型，提出了一个简 单实用的机械密封混合摩擦计算模型，并给出了该模型的计算流程和计算实例计 算结果表明，机械密封端面压力分布呈凸抛物线状，增加密封端面锥度可降低摩 擦系数。雒建斌等人提出用相对光强法测量油膜厚度，并且通过一系列的试验提 示了薄膜润滑的许多规律。他们研究了弹流润滑到薄膜润滑的转变，弹流润滑到 边界润滑的转变，纳米膜的失效，纳米尺度的流体膜特性以及薄膜润滑的机理等 基础问题。沈明武等研究了薄膜润滑中液晶添加剂的问题。h o m a l a 等研究了粘着 与摩擦力之间的关系。这一系列试验揭示出薄膜润滑的许多规律，充分证明了薄 膜润滑是存在于弹流润滑与边界润滑之间的一种过渡状态，有着独特的润滑特性。 在理论方面，1 9 9 5 年t i c h y 等从液晶理论出发，对润滑剂分子的两种常见结构即 层列相结构和向列相结构进行分析计算，提出了方向粘度模型、多孔性表面层模 型和分层模型。1 9 9 7 年曲庆文则提出了分层模型，即根据距离壁面的远近确定粘 度变化【5 0 j 。胡元中等则利用计算机模拟了薄膜润滑的一些特性；y a s u n a g 等推导 了孔性介质考虑稀释作用时的r e v n o l d s 方程。这些机理研究，大都是基于边界理 论，考虑分子之间的相互作用或润滑介质分子与壁面的相互作用，对提出的模型 进行了解释和计算。 1 8 8 5 年在英国出现了第一个密封专利，直到1 8 9 0 年才开始用于轴端密封；1 9 0 8 年汽轮机密封采用了可移动的密封环密封；1 9 1 3 年出现了汽轮机上使用双端面密 封的专利；1 9 1 9 年出现了单端面机械密封专利；1 9 2 0 年小型家用冷冻压缩机和汽 3 基于弹性微极流体机械密封混合摩擦的研究 车上水泵的轴封采用了机械密封；1 9 3 0 年采用机械密封在一定程度上解决轻烃泵 的密封问题。自1 9 4 0 年起主要改进密封面材料，1 9 4 5 年出现了陶瓷、石墨、硬质 合金材料的密封，加工精度也大为提高，表面精度从r a o 4 肛m 提高到r a o 2 口m 到 0 1 脚。同时在结构上出现了平衡型机械密封、中间环密封和其它专利的机械密 封。1 9 5 7 年美国e g & gs e a l 公司制造出世界上第一套焊接波纹管机械密封并用于 航空中。目前国际上已有不少专门从事研究、生产和销售机械密封产品的学术时 体与跨国公司，如英国流体机械学会( b h r g ) ，美国的j o h nc r a n e 公司以及日本 的皮拉公司等。国内从6 0 年代开始认识、使用机械密封，随后陆续开始生产、研 究，形成了一定的研究、设计和生产能力1 5 4 ，建立了一系列标准【5 5 j 。在常规机械 密封的设计、生产方面己接近国外水平，但在产品规格、高性能材料、高参数机 械密封方面，与国外仍有很大差距。 1 9 6 7 1 9 8 0 年出现了高参数的热流体动力楔密封及各种非接触式流体静压密 封和流体动压密封。此时机械密封在美国已得到普及和推广，并用到石油和化学 工业中。此阶段在流体动压润滑和流体静压润滑等理论指导下，引用轴承等方面 先进技术，机械密封不仅出现了各种高参数和新结构的接触和非接触式机械密封， 同时能满足各种各样要求的组合式密封。 在接触式密封方面，由于核电和宇航的需要，高参数的机械密封发展很快，在 1 9 7 7 年出现碳化硅一石墨作摩擦副的机械密封，p y 值迅速提高到3 6 0 m p a m s 。 新结构、新型式密封不断出现，诸如弹性变形波度密封，中间多环密封、窄带接 触密封、剖分环密封、集装式密封、监控密封等。到本世纪6 0 年代出现了非接触 式密封，诸如周向圆弧槽雷列台阶面和螺旋槽面的流体动压密封；径向锥面、台 阶面和凹槽节流静压密封等，将机械密封的p y 值提高到5 0 0 m p a m s 。此外，机 械密封与螺旋槽密封的多级组合密封、半接触式变载荷系数机械密封和一些混合 与阻塞密封，并得到了广泛应用。 自8 0 年代初，出现了新概念、新结构、新方法、新技术、新工艺和新材料的 新型密封，诸如出现“上游泵送”的新概念，产生了非接触式的新结构等。“上游泵 送”新概念可使非接触式密封达到极少泄漏，甚至是无泄漏，打破了非接触式密封 总是泄漏的旧概念。 在新材料方面，出现了c c 复合材料，s i c 致密的c c 复合材料。采用喷 涂技术和新工艺来修复硬面和制造硬面环。 机械密封技术正向更深层次方向发展一高参数、高性能( 干运转、无泄漏、 无油润滑、含颗粒介质) 和高水平。非接触式机械密封发展方向就是减少泄漏、 提高稳定性和可靠性、延长寿命和扩大使用范围；而接触式密封的发展除上述要 求之外，还要求减少磨损。 机械密封自第一项专利开始至今发展已1 0 0 多年了，作为一个密封产品，从 4 硕士学位论文 简单到复杂，并逐步完善实用，随着科学技术的发展，这种密封产品还将进一步 发展，现阶段还不存在用什么产品代替它的问题，其发展空间仍然很大。但需要 设计、制造、使用等方面的技术人员共同努力，来推动机械密封技术水平的进一 步发展。 1 1 2 机械密封环的耦合分析研究现状 在机械密封装置运转过程中，由于密封环的变形和温升相互影响、密切联系， 仅对机械密封环进行变形或温度场分析都不能准确全面地获得密封性能，从而提 出了热一结构耦合分析研究的需要。在耦合分析的研究上，国外学者做出的工作较 多，他们的研究类型不仅包括稳态，还包括瞬态、耦合的物理场，不仅包括应力 场和温度场，而且还涉及流场。 r a h u ln s a m a n t 等人就在a n s y s 软件上对机械密封环进行热一结构耦合分 析指出了一些基本的思路l o 引。主要为：( 1 ) 使用具有热一结构分析能力的二维轴对称 单元p l a n e l 3 来建立动静环的实体模型；( 2 ) 使用杆元u n k 3 4 来模拟动静环端 面间的接触热传导；( 3 ) 采用二维点一点接触单元c o n t a c l 2 来模拟动静环端面间 的摩擦生热。 b e m a r dt o u m e r i c 等人针对密封环的启动过程，建立了热动力瞬态模型，并使 用影响系数方法对模型进行子热弹性耦合计算i o 。 对于耦合分析，国内也有类似的研究。其中成果较突出的有北方交通大学的丁 群建立的流场、热场和应力场三者耦合的系统模型。模型的新颖性在于将三场的 耦合分为三个过程：先进行热流场直接耦合分析求出换热边界的对流系数，再进 行流热场间接耦合分析求出温度场，最后进行热应力场的间接耦合分析求出热应 力分布。 随着国内外对机械密封装置性能参数指标要求的不断提高，机械密封性能进 行优化的研究得到一定发展。 机械密封能否保持很低的泄漏率而能长周期运转，取决于密封端面的界面特 性。有关端面的密封机理，多年来，提出了许多理论，如流体摩擦与润滑的成膜 理论、边界摩擦与润滑的流体交换流动理论、干摩擦的热裂理论、混合摩擦与润 滑的微凸体接触理论和热流体动力楔理论及相变理论。各种理论虽然出发点不同， 但保持端面间良好润滑和减轻磨损，是保证机械密封获得长寿命的关键的观点却 是一致的。多种密封理论的提出，部分揭示了密封机理，促进了机械密封技术的 。进步，出现了许多机械密封新结构和适应于机械密封的新材料，延长了机械密封 的寿命，拓展了机械密封的适应范围。但是在密封端面间如此狭小的界面上存在 着摩擦、磨损、变形、流体流动、相变、腐蚀等许多复杂的物理、化学过程，要 想全面而真实地反映各种因素的影响和相互关联的规律，目前无论从理论或实验 技术上都还十分困难。 5 基f 弹性微极流体机械密封混合摩擦的研究 p a r 、r i z 使用有限元软件对f l u e n t 对机械密封的温度场和流场进行计算【嘣j ； r a yc l a r k 、s h i r a z i ，s i a m a c ka 等人采用流体动力分析( c f d ) 软件对密封环进行 了以热一流场耦合为主的模型，并根据计算结果提出了改进动静环端面冷却效果的 相关措施i 叫j ；t o ml m 等使用c s t e d y 软件建立了相应的耦合模型，该模型可 预测的密封性能包括密封环变形、温度、端面液膜厚度和泄漏率等l j ：u o n e l a y o u n g 等建立了有限元分析与流体膜组合的耦合模型，程序只需输出密封环 几何形状和运行工况等，便可求出环变形、温度、端面液膜厚度和泄漏率【，1 。 1 1 3 机械密封环的变工况和优化研究现状 机械密封环在变工况下运转时呈现与稳态下不同的特性一动态特性，国内学者 对此进行了一定层次的研究。谢启祥分析了船用变压机械密封装置的密封端面比 压、变形量、变形锥度和摩擦系数【7 2 】。h a r p ，s r 0 建立了预测机械密封环瞬态特 性的数学模型，可分析变速条件下密封端面液膜厚度、压力分布、生热率、变形 和泄漏率等参数【7 3 1 。o g f e e n ，工t z h a k 考虑微凸体接触和端面变形进行了平稳加载 和降载的数值分析，得出了机械密封环一系列动态密封特1 7 4 1 a x i o n g ，s h u n h e 等建 立了接触型机械密封的动态模型，模型主要分析了变工况对端面泄漏的影响。机 械密封环的变工况试验研究表明，由变工况引起的端面液膜失稳是导致密封性能 恶化的主要因素，但这一因素很难定量分析。 随着国内外对机械密封装置性能参数指标要求的不断提高，机械密封性能进 行优化的研究得到一定发展。目前针对机械密封性能的优化主要有三大领域： 第一，密封端面参数优化，主要研究密封端面的激光加工处理和端面开槽： 第二，密封环境优化，主要研究从端面的冲洗冷却1 7 5 】； 第三，机械密封环的结构优化，主要研究密封环的结构尺寸。 1 1 4 弹流试验的研究现状 弹流试验研究的发展史基本上与理论研究是并行的。1 9 5 3 年m e i t t ，h e 设 计了一台模拟齿轮工作的双圆盘机，测定了圆盘间的摩擦系数。在油膜厚度和形 状的测量方面，1 9 5 2 年l a n e ，t b 和h u g h e s ，t r 【3 】用电阻法测试了齿轮 间润滑状态。1 9 4 7 年b r i x ，a h 【5 】以及1 9 5 4 年c a m e r o n ，a 【6 1 分别采用放电 电压法测量了膜厚。这两种测量膜厚的方法只能定性，很难定量。1 9 5 8 年c r 0 0 k ， a w 【1 0 】以及1 9 6 5 年d y s o n ，a ，n a y l o r ，h 1 9 l 和w i l s o n ，a r 1 4 1 分别用 电容法定量测量了膜厚。1 9 6 1 年s i b l e y ，l b 和a u s t i n a ，e 【1 5 】发表了用x 。 射线透射计量法测得了膜厚和形状。1 9 6 2 年r k 首次将光干涉法应用到弹流润 滑试验的研究中，并成功地实现了弹流油膜形状的测量。此后不久，c a m e r o n 领 导的实验室就开始研究光干涉法测量弹流油膜的技术，他们用钢球于高折射率的 透明盘相接触，首次揭示出点接触弹流油膜的马蹄形态征。1 9 6 7 年c a m e r o n ，r 和 6 硕士学位论文 g r e g o r y ，r w 【l l l ，1 9 7 0 年及1 9 7 2 年p 0 0 n ，s y 以及1 9 7 9 年a t t i a ，f s 和 w h o m e s ，t l 【1 4 】都用磁阻法测量了膜厚。1 9 6 6 年以后c a m e r o n ，a 瞰l 等人用 光干涉法测量了点接触弹流的油膜形状和厚度。1 9 8 2 年h e e m s k e r k ，r s 和 v e m e i r e n ，k n 和d o l f s m a ，h 【1 3 】用电容分压器法对部分弹流润滑状态进行 了测量。目前人们认为电容法、x 射线法和光干涉法是定量测量膜厚较为有效的方 法。在压力和温度测量方面，k 蚰e l ，j w ( 1 9 6 5 ) ，h a m i l t o n ，g m 和m 0 0 r e ， s l ( 1 9 7 1 ) 以及k a n n e l ，j w 和d o w ，t a ( 1 9 8 0 ) 【2 6 2 7 】都用薄膜法测量 了弹流中的压力、温度和膜厚。1 9 7 8 年t u r c h i n a ，v ，s a n b o m ，d m 和w i n t c r ， w 0 跚l 用红外显微镜测量了弹流接触区的温度场。1 9 8 1 年w e c k ，m ，g o c b b e l e t ， j 和k u r s e ，a 【，4 l 用嵌线法测量了弹流压力。1 9 8 5 年和1 9 8 7 年m o k h t a r ，m o a 和 a b d e l g h a n y ，a 则用电极电容法和薄膜传感器法测到了弹流油膜形状、厚度、 压力和温度。bab a t c h 和jd i g a r d 用电容法进行了膜厚测量。李宝彦等采用电容 法测量膜厚，动环引线采用了集流环方式，以消除轴承中流体膜变化带来的影响， 同时测量了动态下寄生电容和介质的介电常数，并对测量结果进行了修正，从而 提高了精确度和可信度。目前，国内外采用电涡流法测量机械密封端面膜厚试验 装置较多。顾永泉、胡丹梅、陈铭和m i nz o u 等均采用电涡流法对机械密封端面 流体膜厚进行了测量，并取得了较好的效果。wba n d e r s o n 于2 0 0 1 年将超声波检 测技术用于机械密封接触状态研究中，取得了满意的试验结果。王和顺等对声波 检测法测试机械密封端面接触状态进行了探讨。目前，利用声波技术对机械密封 端面接触情况进行检测尚处于起步阶段，实用型检测还需大量的实验研究。 我国在弹流研究方面，主要从8 0 年代开始的。1 9 8 1 年以前主要介绍和学习 弹流的知识。其后全国许多单位都开展了对弹流的研究工作，并得到了国家有关 部门的重视与支持。 1 - 1 5 等温点接触弹流理论分析方法数值计算法的研究现状 在载荷作用下，任意形状的两个绝对刚体相互紧压，接触将发生在一个点上。 然而，由于物体的弹性，在载荷作用下必然产生变形，接触区就由一点扩展成一 个椭圆。所以，点接触问题实际上是椭圆接触问题，而椭圆接触的特例是圆形接 触问题。 有关点接触弹流润滑问题的研究要比线接触问题复杂和困难得多，因此它的 发展远远落后于线接触弹流润滑理论，这自然是由于点接触是二维接触的缘故。 直到1 9 7 5 年以后才陆续出现了通过完备的数值解而建立的点接触弹流润滑理论。 r a n g e r 、e t t l e s 和c a m e r o n 首次发表了圆球与平面接触问题的等温数值解。 他们采用q 变换和低松弛的直接迭代解法，获得中等载荷下具有典型弹流润滑特 征的解。但是，可能是由于侧边边界的取法不尽合理而产生侧边乏油的缘故，所 得出的膜厚不仅不随载荷增加而减小，反而略有增加。显然，这是不合理的。 7 基于弹性微极流体机械密封混合摩擦的研究 曼量量皇鼍曼曼皇璺量量量量量量量量皇曼舅曼量舅曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼皇曼曼舅曼量皇量曼曼量曼曼量量鲁量皇曼皇量量量置量皇曼曼曼曼量量量曼邑曼鼍曼舅曼鲁 随后，h a m r o k 和d o w s o n 相继发表了一系列论文，介绍了椭圆接触等温弹 流润滑问题的完全数值解。全面地分析了卷吸速度、载荷、材料性质，接触区椭 圆率以及入口区乏油等因素对压力分布和油膜形状的影响，并根据三十多组算例 回归点接触弹流膜厚公式，即h a m r o c k d o w s o n 公式。该项研究采用妒变换，因而 可以用较准确的r o e l a n d s 粘压关系式。由于采用直接迭代法，算例的参数范围仍 属中、轻载问题。后来，h a m r o c k 和d o w s o n 又发表了对于低弹性模量材料的椭 圆接触弹流润滑等温解，也给出了相应的膜厚公式。 美籍华人学者王竟鹏( k p o h ) 和r o h d e 最早采用牛顿解法研究圆球与平 面接触的润滑问题。由于选用了高阶插值函数，所以计算网格相当稀疏。发表的 算例大多是轻载问题。 为了获得重载条件下点接触弹流问题的数值解，e v a n s 和s i n d l e 作了一系列 的努力。首先，他们改进了直接迭代法，例如采用高阶有限差分格式、用幂函数 粘压关系代替指数粘压关系、对油膜厚度曲线进行磨光等，但都未取得显著的成 效。后来，他们又进行点接触弹流问题逆解法的研究，终于在1 9 8 2 年取得了满意 的结果。所采用的逆解法的要点与线接触问题类似，也是对求解域作分区处理， 在低压区采用直接迭代法，而在部分高压区逆解r e y n o l d s 方程。虽然发表的算例 不多，但是最大h e n z 压力可高达1 4 2 g p a ，大大超出以前发表的数值。 近年来，一些学者对于等温点接触弹流问题作了进一步的研究。例如， c h i t t e n d e n 、d 0 w s o n 、d u n n 和t a v l o r 研究了卷吸速度与接触椭圆长轴重合，以及 卷吸速度与接触椭圆轴线成一定夹角的点接触弹流润滑，并分别提出有关的膜厚 计算公式。又如，l u b f e c h t 、t e nn a p e l 和b o s m a 采用多重网络方法研究点接触弹 流。这种解法可以采用节点多达万计的稠密网格，而计算时间和所需内存量都在 可以接受的范围内。尤其重要的是，这种解法无论对轻载还是重载问题都很有效。 虽然我国在点接触弹流润滑研究方面开展较晚，但已经取得了相当大的成就。清 华大学摩擦学研究所朱东和温诗铸在1 9 8 2 年就已发表了用直接迭代法研究椭圆接 触弹流问题的报告。在此基础上，作者提出了国际上第一个椭圆接触热弹流润滑 的完全数值解。侯克平