（流体机械及工程专业论文）端面微凹腔造型液体机械密封性能研究.pdf

学位论文版权使用授权书 【tlll li ii i ii l ll1 1 11iil y 18 9 4 5 0 8 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密回。 学位论文作者签名：东萍 劲j 年占月7 年日 懒 刁刀f 年易j 玛l 够b 端面微凹腔造型液体机械密封性能研究 s t u d yo ft h ep e r f o r m a n c eo fl i q u i d l u b r i c a t e dm e c h a n i c a ls e a l s w i t hm i c r o p o r ef a c e 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 为了改善机械密封端面间润滑状况和提高密封性能，人们将表面造型技术应用 于机械密封。端面微凹腔造型液体机械密封作为其中一种新型机械密封，它是依靠 端面加工的微凹腔产生的流体动压效应实现密封端面的非接触运转。该密封可以有 效地减小端面摩擦，降低端面温升，延长使用寿命，具有广阔的发展前景。 本文在密封性能试验研究的基础上，从流体力学和摩擦学的角度，应用a n s y s c f x 软件，深入系统地研究了密封面工况参数和凹腔结构参数对端面微凹腔造型机 械密封动压润滑性能的影响，从而为端面微凹腔造型机械密封的设计和使用提供理 论依据。主要研究内容和结论如下： 1 ) 通过对端面微凹腔机械密封进行性能试验，研究了转速和介质压力对密封性 能的影响。结果表明，该密封的端面摩擦扭矩随转速、介质压力的增大而增大；与 普通端面机械密封相比，该密封在减小摩擦方面具有明显的优势，适合在较高工况 参数条件下运行。 2 ) 基于流体润滑理论，建立了端面微凹腔造型机械密封的数值计算模型，应用 a n s y sc f x 软件对密封端面间内流场进行三维数值模拟，并将数值模拟结果与试验 结果进行对比分析，结果表明两者变化规律基本相符，从而验证了所采用的数值模 拟方法是可行的。 3 ) 利用已验证的计算模型，研究了不同参数对密封端面压力分布和剪切应力分 布的影响规律，同时以液膜承载力和端面摩擦扭矩为评价指标，分析了不同参数对 密封润滑性能的影响。结果表明，合适的转速、介质粘度和密封间隙可以提高液膜 承载力，减小端面摩擦；在本文的研究范围内，认为凹腔半径为5 0 9 m ，凹腔深径比 为0 0 5 ，凹腔分布密度为4 0 左右时，密封性能较好。 关键词：液体机械密封，微凹腔造型，动压润滑性能，a n s y sc f x 端面微凹腔造型液体机械密封性能研究 a b s t r a c t i no r d e rt oi m p r o v et h el u b r i c a t i o nb e t w e e nt h ec l e a r a n c eo fs e a l i n gf a c e sa n dt h e s e a l i n gp e r f o r m a n c e ，t h es u r f a c et e x t u r i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nu s e di nt h em e c h a n i c a l s e a l s l i q u i d - l u b r i c a t e d m e c h a n i c a ls e a l s 丽t hm i c r o - p o r ef a c ea r ean e wt y p eo f h y d r o d y n a m i cm e c h a n i c a ls e a l s ，w h i c hc a nr u nn o n c o n t a c td u et o t h eh y d r o d y n a m i c e f f e c tp r o d u c e db ym i c r o p o r e t h i st y p eo fm e c h a n i c a ls e a l sc a nr e d u c et e m p e r a t u r e g r a d e ，f r i c t i o na n dw e a re f f e c t i v e l y ，s oi th a sw i d ed e v e l o p m e n tp r o s p e c t i nt h i s p a p e r ，t h es e a l i n gp e r f o r m a n c eo fl i q u i d - l u b r i c a t e dm e c h a n i c a ls e a l s 、析t h m i c r o p o r ef a c ew a ss t u d i e db ye x p e r i m e n t a ls t u d ya n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b a s e do n h y d r o d y n a m i ca n df r i c t i o nt h e o r i e s ，t h ee f f e c t so fo p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n dm i c r o - p o r e s t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h eh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o np e r f o r m a n c eo fl i q u i d l u b r i c a t e d m e c h a n i c a ls e a l s 、耐mm i c r o - p o r ef a c ew e r es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e db ya n s y sc f x 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 ) t h ee f f e c t so fr o t a t i o n a ls p e e da n dl i q u i dp r e s s u r eo nt h es e a l i n gp e r f o r m a n c e w e r er e s e a r c h e db ye x p e r i m e n t a ls t u d y t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ef r i c t i o nt o r q u eo f m e c h a n i c a ls e a l sw o u l di n c r e a s ew h i l er o t a t i o n a ls p e e do rm e d i u mp r e s s u r ei n c r e a s e d c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a lm e c h a n i c a ls e a l s ，l i q u i d - l u b r i c a t e dm e c h a n i c a ls e a l s 稍t h m i c r o p o r ef a c eh a dab i ga d v a n t a g ei nr e d u c i n g f r i c t i o n 2 ) a t h e o r e t i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e do nt h eb a s i so fl i q u i dl u b r i c a t i o nt h e o r i e sa n d s o l v e db ya n s y sc f x , t h e nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r ec o m p a r e d 谢t he x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，i tw a sf o u n dt h a tt h e ya c c o r d e dw e l l 丽血e a c ho t h e r 3 ) u s i n gt h ev e r i f i e dm o d e l ，t h ed i s t r i b u t i o n so fl i q u i df i l mp r e s s u r ea n dw a l ls h e a r s t r e s si nv a r i o u sp a r a m e t e r sw e r ec a l c u l a t e d m e a n w h i l e ，t a k i n go p e n i n gf o r c eo fl i q u i d f i l ma n df r i c t i o nt o r q u ea s t h es t a n d a r d ，t h ee f f e c t so fv a r i o u sp a r a m e t e r so nt h e h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o np e r f o r m a n c eo fm e c h a n i c a ls e a l sw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s s h o w e dp r o p e rr 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 哆a n dt h ec l e a r a n c eo fs e a l i n gf a c e sc o u l d e n h a n c et h eo p e n i n gf o r c eo fl i q u i df i l ma n dr e d u c ef r i c t i o n t h es e a lp e r f o r m e dw e l l w h e nt h em i c r o - - p o r es t r u c t u r ep a r a m e t e r sw e r ei nt h er a n g eo ff o l l o w s ：t h em i c r o - p o r e r a d i u sw a sa b o u t5 0 1 a m ，t h er a t i oo fm i c r o - p o r ed e p t ht od i a m e t e rw a sa b o u t0 0 5a n dt h e m i c r o p o r ea r e ad e n s i t yw a sa b o u t4 0 k e yw o r d s ：l i q u i d l u b r i c a t e dm e c h a n i c a ls e a l s ，m i c r o - p o r e ，h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n p e r f o r m a n c e ，a n s y sc f x 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 本课题研究背景1 1 2 本课题研究意义1 1 3 国内外端面微凹腔造型机械密封研究概况3 1 3 1国外研究现状3 1 3 2国内研究现状5 1 4 本文主要研究内容8 第二章端面微凹腔造型机械密封理论基础。9 2 1 工作原理9 2 2 流态分析。1 0 2 3 几何模型1 1 2 4 理论模型。1 2 2 5 主要参数1 4 2 5 1 工况参数1 5 2 5 2 结构参数1 5 2 5 3性能参数1 5 2 6 本章小结1 6 第三章端面微凹腔造型机械密封性能试验与分析。1 7 3 1 试验目的1 7 3 2 试样确定与加工1 7 3 2 1试件选择1 7 3 2 2 试件加工1 7 3 2 3 试样后处理1 9 3 3 试验装置。2 0 3 3 1 机械系统。2 0 3 3 2 数据采集系统2 1 3 4 试验方案2 3 3 4 1 试验方法2 3 端面微凹腔造型液体机械密封性能研究 3 5 3 6 第四章 3 4 2 试验内容2 3 试验结果及分析。2 4 3 5 1 运行稳定性分析2 4 3 5 2 摩擦扭矩分析2 6 3 5 3 泄漏量分析2 7 本章小结3 0 端面微凹腔造型机械密封三维数值模拟与试验验证3 1 4 1 数值计算方法。3 1 4 1 1 概j 苤3 1 4 1 2a n s y sc f x 软件简介3 2 4 2 数值模拟过程3 4 4 2 1 计算区域。3 4 4 2 2网格划分3 4 4 2 3 基本假设3 5 4 2 4 控制方程3 5 4 2 5 边界条件3 5 4 2 6 求解计算3 6 4 3 三维数值模拟结果分析及试验验证3 6 4 3 1 数值模拟结果与分析3 6 4 3 2 模拟结果与试验结果对比分析3 9 4 4 本章小结。4 1 第五章不同参数对端面微凹腔造型机械密封性能影响的研究。4 2 5 1 密封端面压力分布和剪切应力分布的模拟结果与分析4 2 5 1 1 转速对端面压力分布和剪切应力分布的影响4 2 5 1 2 密封间隙对端面压力分布和剪切应力分布的影响。4 4 5 1 3 介质粘度对端面压力分布和剪切应力分布的影响4 6 5 1 4 凹腔深径比对端面压力分布和剪切应力分布的影响4 8 5 1 5 凹腔分布密度对端面压力分布和剪切应力分布的影响5 0 5 1 6 介质压力对端面压力分布和剪切应力分布的影响5 2 5 2 密封性能的计算结果与分析5 4 5 2 1 转速对密封性能的影响5 4 i v 江苏大学硕士学位论文 5 2 2 密封间隙对密封性能的影响。5 5 5 2 3 介质粘度对密封性能的影响5 6 5 2 4 凹腔深径比对密封性能的影响5 6 5 2 5凹腔分布密度对密封性能的影响5 7 5 2 6 介质压力对密封性能的影响5 8 5 3 本章小结5 9 第六章总结与展望 6 1 全文总结。6 0 6 2 工作展望6 1 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的学术论文 6 2 6 5 6 6 v 江苏大学硕士学位论文 1 1 本课题研究背景 第一章绪论 机械密封是流体机械和动力机械的关键部件之一，它是一种依靠弹性元件对静、 动环端面密封副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端面密 封装置，故又称端面密封【1 1 。与填料密封相比，机械密封具有密封性能好、使用寿命 长、对轴套几乎无磨损、耐振性强等优点，因此被广泛应用于泵、压缩机、船舶艉 轴、阀门和航空发动机等需要严格控制泄漏率的场合。 自1 8 8 5 年英国最早出现第一个机械密封专利以来，机械密封的发展已有1 0 0 多 年的历史。由于受材料和加工条件的制约，初期的机械密封材质差、寿命短，未能 获得广泛应用。至2 0 世纪2 0 年代，机械密封才开始应用于小型家用冷冻压缩机和 汽车水泵上。2 0 世纪5 0 年代后期，为了满足宇航、核电和石油化工工业迅速发展的 需要，对机械密封提出了更高的要求，从而大大推动了机械密封的发展，不断涌现 出密封的新结构、新工艺和新材料，并逐步形成了比较系统的机械密封理论f 2 】。目前 国外有不少专门从事研究、生产和销售机械密封的学术团体和跨国公司，如英国流 体力学组织( b 腿g ) 、欧洲密封协会( e s a ) 、美国流体密封协会( f s a ) 等。而我 国从2 0 世纪6 0 年代开始认识和使用机械密封，随后陆续开始生产和研究，并建立 了一系列的标准。虽然在常规机械密封的设计和生产方面，国内已接近国外先进水 平，但在产品规格、高性能材料和高参数机械密封等方面，与国外仍有很大的差距。 经过一百多年的发展，机械密封技术取得很大进展。然而，传统的接触式机械 密封，其动、静环组成的摩擦副一般处于混合摩擦或边界摩擦状态，当工况条件较 高时，存在摩擦磨损严重、承载能力低及使用寿命短等缺点。显然，随着工业的高 速发展和节能环保意识的增强，传统机械密封已经不能满足人们的需求。因此，如 何提高密封性能和降低能耗成为普遍关注的研究课题。深入探索密封机理，开发新 型密封结构迫在眉睫。 1 2 本课题研究意义 随着工业发展和人们对环境保护的日益重视，对机械密封的性能要求越来越严 格。我国许多行业要求机械密封的工作寿命由1 年延长到2 年，国外已提出由2 年延长 端面微凹腔造型液体机械密封性能研究 n 3 年【3 1 。美国摩擦学家和润滑工程师学会制定了部分易挥发物逸出定量控制规定指 南，要求机械密封从零泄漏向零逸出发展。因此，发展机械密封的新理论、新技术和 新产品势在必行。 为了改善机械密封的性能和延长密封寿命，密封技术工作者一直在努力。通过 改变密封端面的表面形貌，增强流体动压效果是行之有效的方法。端面微凹腔造型 机械密封作为一种新型流体动压型机械密封，属于非接触式机械密封，具有磨损小、 寿命长、能耗低等优点。其基本原理是在其中一环端面上( 通常在硬质环上) 加工 出具有一定形貌、规则分布的微凹腔，在密封运转过程中，每个微凹腔像一个微动 力润滑轴承。当两密封环相对运动时，密封端面间形成一层收敛缝隙流体膜，在微 凹腔的上方及其周围区域产生流体动压力。在一定条件下，流体动压力与介质静压 力共同作用将两端面分开，使其非接触，从而改善密封端面间的润滑状态，大大降 低密封端面间的端面温升和摩擦扭矩，延长密封的使用寿命【4 】。 端面微凹腔造型机械密封不仅在理论上是合理的，在工业应用技术上也是可行 的。在某些特殊工况中，端面微凹腔造型机械密封已有成功的应用实例。早在1 9 9 7 年，端面凹腔造型机械密封安装在一家化工厂轻烃泵的密封上【5 】。该密封装置在工作 温度为2 6 6 。3 2 0 ，压差为0 6 2 m p a 、转速为2 9 5 5 r m i n 的情况下成功的运行了三个月， 密封效果令人满意。2 0 0 0 年e t s i o n 对激光加工端面微凹腔造型机械密封成功应用到泵 的情况作了简单的介绍【6 】，但其应用未得到推广。目前国内关于这方面的应用尚未见 到报道。因此，为了使得该技术能尽快应用到生产实践中去，提高我国机械密封的 性能和增强产品的国际竞争力，深入地研究端面微凹腔造型机械密封的性能、完善 端面凹腔造型机械密封的润滑理论有着非常重要的意义。 目前国内外对端面微凹腔造型机械密封还没有提出完善的设计理论和设计方 法。本课题从流体力学和摩擦学的角度，在密封性能试验研究的基础上，研究了不 同工况参数和凹腔结构参数对密封端面间内流场和机械密封动压润滑性能的影响规 律，从而有助于完善端面微造型机械密封的润滑理论，对端面微凹腔造型机械密封 的设计和使用具有一定的指导意义。 本课题来源于江苏省自然科学基金项目( 编号b k 2 0 0 7 0 9 5 ) “具有微尺度形貌的液 体端面密封内流场与润滑理论研究”和江苏省高校自然科学基础研究项目( 编号 0 6 k j b 4 8 0 0 1 9 ) “全液体润滑机械密封内部流动微尺度效应及润滑理论研究 。 2 江苏大学硕士学位论文 1 3 国内外端面微凹腔造型机械密封研究概况 端面各种微造型机械密封思想的提出，源于轴承流体动压效应以及表面形貌技 术的研究，大约始于2 0 世纪7 0 年代。最初人们研究最多、应用最广的是干气密封。 随后，以色列的e t s i o n 教授受用于机械密封的孔隙性材料 7 - 8 的启发而提出了端面微 凹腔造型液体机械密封。由于该密封可以改善密封端面间的润滑状态，降低端面摩 擦，吸引了国内外众多学者的关注和研究。 1 3 1 国外研究现状 在理论研究方面，e t s i o n 对端面微凹腔造型机械密封做了大量的研究。1 9 9 4 年 e t s i o n 9 1 采用解析法对端面微凹腔造型机械密封的端面间压力分布、泄漏率和动压系 数进行了研究，结果表明与普通端面机械密封相比，端面微凹腔造型机械密封即使 在端面互相平行的情况下，液膜也具有正的轴向刚度，但其泄漏率相对较高。1 9 9 6 年 e t s i o n 1 0 l 建立了第一个端面半球形凹腔造型机械密封的物理模型，选取单个微凹腔为 研究对象，通过求解雷诺方程获得了密封端面间的压力分布规律，并对密封端面的 开启力、摩擦扭矩和泄漏量等性能指标进行了预测，结果表明选择合适的凹腔尺寸 对密封性能相当重要，最佳凹腔尺寸取决于液体的粘度、压力以及凹腔分布密度。 1 9 9 9 年e t s i o n n 提出了一种新理论分析数学模型，可用于任意形状微孔的理论研究， 并采用有限差分法对激光加工端面微凹腔造型机械密封进行了数值计算，阐述了工 况条件与开启力之间的关系，结果发现凹腔深径比对平均压力影响很显著，微凹腔 效应很大程度上取决于动压效应和静压效应之间的关系：当静压效应占主导时，由 于空化现象的存在，微凹腔的动压效应就被消弱，此时端面微凹腔将失去作用；当 动压效应占主导时，与普通端面机械密封相比，端面微凹腔造型机械密封的密封性 能有了显著的提高。2 0 0 2 年e t s i o n 1 1 】对部分端面微凹腔造型机械密封进行了研究， 并定性地分析了在静压状态下口、s p 、s 胁之间的相互关系( 其中口为开孔环形区与 整个环形区的宽度比值、品为凹腔分布密度、s 为凹腔深径比、万为密封副的间距与 直径比) ，研究结果为获得该密封装置的设计参数提供很重要的理论依据。2 0 0 5 年 e t s i o n 1 2 】再次阐述了端面微凹腔造型机械密封在工业生产中的实用性，对激光表面微 造型技术( l s t ) 的基本原理、加工工艺和研究现状进行了总结。 于此同时，其他研究者也对端面微凹腔造型机械密封产生了浓厚的兴趣并做出 3 端面微凹腔造型液体机械密封性能研究 了贡献，如2 0 0 1 年k l i g e r m a n ”l 发现把端面微凹腔造型机械密封应用到气体密封领 域也是非常可取的。2 0 0 6 年f e l d m a n 等【1 4 】分析了激光加工端面微凹腔造型气体润滑 机械密封在静态状态下使用雷诺方程的有效性，选取单个三维凹腔为研究对象，分 别利用完整n s 方程和简单雷诺方程的近似解法求解了微孔的压力分布和承载能力， 结果表明尽管两种方法在压力分布上存在潜在的差别，但就结构参数和工况参数而 言，在计算承载能力上的差别很小，对于广泛的间隙和压力范围内都可应用雷诺方 程。2 0 0 7 年f e l d m a n 等在上述工作基础上，又对部分端面微凹腔造型机械密封的静 压气体密封性能进行了分析【1 5 】，通过将最佳部分端面开凹腔机械密封的性能与径向 台阶密封的性能相对比，得出开孔长度比设计合理的部分端面微凹腔造型机械密封 具有良好的综合密封性能。 端面微凹腔造型机械密封的试验研究相对较少。1 9 9 7 年e t s i o n1 1 6 l 对激光加工端 面微凹腔造型机械密封的寿命进行了试验研究。试验动、静环所用材料均为4 3 4 0 钢， 硬度5 4 h r c ，内径2 6 m m ，外径3 8 m m ，抛光处理后微孔平均直径为9 0 p m ，深度在 2 2 6 p m 之间，微孔密度为2 5 ，平均摩擦系数为0 0 1 加0 2 ；试验条件：转速为 5 0 0 。3 0 0 0 r m i n 、载荷为6 0 3 0 0 0 n 。试验结果表明，对于有微凹腔结构的密封副即使 在载荷大于1 5 0 n 时仍能形成完整的液膜，而普通机械密封端面间只有在载荷为1 2 0 n 以下才能形成完整的液膜，并指出有凹腔结构密封的摩擦副当孔深为2 6 1 a m 时的平均 p v 值为2 m p a m s 而普通密封的摩擦副发生粘合时最大p v 不超过1 2 5 a m s ， 平均p v 值为1 m p a m s 。1 9 9 9 年e t s i o n l 5 1 采用同样的试验装置，研究激光加工端面微 凹腔造型机械密封的性能。试验中动、静环所用材料分别为碳石墨、s i c ，密封介质 为水，动环转速为3 0 0 5 0 0 0 r m i n 。结果表明，密封端面间平均压力随端面间隙的增 大而减小，而且在相同工况条件下运行，普通机械密封端面有明显的磨损，而具有 凹腔的密封环几乎无磨损。2 0 0 2 年e t s i o n 1 1 】对径向部分开凹腔端面机械密封进行了 试验研究，研究表明与普通机械密封相比，该密封在减小摩擦力矩和降低端面温升 方面有显著改善。 其他学者也对端面微凹腔造型机械密封进行了一些试验研究。2 0 0 1 年x i a o l e iw 和k o j ik a t o 1 7 l 通过对摩擦副材料为碳化硅的端面微凹腔造型机械密封在水润滑条 件下的润滑性能进行了试验研究，并研究了不同操作条件下端面微凹腔对密封性能 的影响，试验结果发现，在密封表面加工微凹腔可以有效地提高密封端面的承载能 力。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 4 江苏大学硕士学位论文 微凹腔，在相同的试验台架上，研究碳化硅机械密封表面微凹腔对润滑性能、抗吸 附性能和摩擦力等特性的影响，结果表明机械密封表面微凹腔能够有效减小碳化硅 密封表面的摩擦力，降低摩擦系数，提高承载能力【1 7 9 1 。2 0 0 2 年p d d e l 2 0 l 试验研究了 机械密封的端面凹腔结构对启动力矩和碳石墨表面形成泡疤的影响，结果表明，当 介质为矿物油时，激光加工凹腔端面机械密封具有更低的启动力矩而且能降低泡疤 的形成率，但对于高粘度的流体，虽然具有较低的启动力矩但泡疤的形成率却较高。 由于在激光加工的时候表面会另外产生裂纹，启动时泡疤就会从这些裂纹上产生。 2 0 0 7 年k o s k i n e n ，j 等【2 1 】通过采用激光技术在钢表面进行微造型，对激光表面微造型 对密封摩擦润滑性能的影响进行了试验研究，结果发现激光表面微造型能够有效减 小材料的摩擦磨损，延长密封的使用寿命。 1 3 2 国内研究现状 国内对端面微凹腔造型机械密封的理论研究起步较晚，目前有些专家采用有限 差分法、有限元法、多重网格法和有限体积法等进行了数值模拟研究工作。 于新奇、宋鹏云等人采用有限差分法对端面微凹腔造型机械密封进行了理论研 究。2 0 0 2 年于新奇【捌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，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。2 0 0 4 年于新奇等【2 3 l 通过采用与e t s i o n 相似的数学模型，利用有限差分法求解 雷诺方程，对不同工况和端面微孔结构参数下密封端面的无量纲动压力分布规律进 行了研究，得到产生最大端面动压力时的结构优化参数，结果表明流体粘度和转速 越高、微孔分布密度越大、密封面间隙越小，密封端面间产生的动压力越大；无量 纲平均动压力随转速的增加呈线性增加；综合考虑动压效应和加工成本，较适宜的 微孔分布密度取值为0 5 。2 0 0 5 年于新奇【纠对激光加工多孔端面机械密封的流体动 力学进行了研究，选取一个径向孔栏为研究对象，利用m a t l a b 计算机软件得到了 无量纲液膜压力的三维分布规律。通过分析得到，随着介质压力的增加，微孔发散 区域的空化现象逐渐减弱直至消失，因此动压效应逐渐减弱，此时密封端面上的压 力主要是流体的静压力。另外，微孔结构参数( 如微孔深径比和微孔分布密度) 对液膜 平均压力有很大影响，并存在最优值。2 0 0 8 年宋鹏云【2 5 1 采用有限差分法对部分端面 微孔机械密封的液膜开启力、液膜刚度、泄漏率和摩擦力矩等密封性能的计算方法 进行了研究，分析了微孔分布密度、微孔深径比、微孔区域比等密封结构参数对密 5 端面微凹腔造型液体机械密封性能研究 封性能的影响规律。结果表明：微孔分布密度为o 2 、微孔深径比为0 0 2 时，开启力、 液膜刚度和泄漏率最大；摩擦力矩随微孔分布密度、微孔深径比、微孔区域比的增 加而降低。2 0 0 9 年李国栋【2 6 1 采用有限差分求解雷诺方程，获得在给定工况下端面微 孔结构参数对摩擦功耗、泄漏量等密封性能参数的影响规律，结果表明密封端面的 微孔密度和微孔深度对摩擦功耗、泄漏量有着显著的影响；泄漏量随密封液体压力 的增加而增大等。2 0 1 0 年张贺房【2 刀采用有限差分的数值计算方法对圆柱孔端面机械 密封进行了数值分析，并对微孔结构参数进行了优化。研究表明液膜无量纲平均压 力随液体粘度、流体压力和转速的增加、密封间隙的减小而增大；当微孔半径一定 时，对微孔结构参数进行优化，可使密封性能达到最佳。 彭旭东、杜东波等人采用有限元法对端面微凹腔造型机械密封进行了理论研究。 2 0 0 6 年彭旭东等【2 8 1 采用有限元法在考虑密封端面液膜空化的基础上，研究了4 种不 同微孔截面形状( 矩形面、椭圆面、球缺面和抛物面) 对密封性能的影响规律，结 果表明，无论哪种型面微孔都能存在使开启力和液膜刚度达到最大的最佳微孔密度 ( 约o 2 ) 。2 0 0 7 年杜东波等【冽针对矩形截面轮廓微孔，对不同微孔结构参数及工况 参数下密封端面平均压力的分布规律进行了研究，研究表明平均压力受微孔分布密 度和密封端面半径比的影响较小，而受微孔深径比的影响较显著；介质压力越大， 动压效应越不明显，而压缩数越大，激光加工多孔端面机械密封的动压效应反而逐 渐增强。同年，潘晓梅1 3 0 l 采用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 件对激光加工多孔端面机械密封的平均膜压分布进行了研究，结果表明在预测精度 方面，空化边界条件r e y n o l d s 、j f o 、h a l f - s o m m e f f e l d 逐次变差，通常建议采用 r e y n o l d s 空化边界条件进行预测分析。蔡永宁等【3 l 】通过采用有限元法求解雷诺方程 获得激光加工多孔端面机械密封端面流体膜压分布，研究了端面泄漏量、液膜刚度 和刚漏比等密封性能参数受不同约束、不同结构动、静密封环力变形的影响。结果 表明端面变形将导致泄漏量增大，刚漏比减小；最小的密封环变形并不一定对应于 最优密封性能；密封环的约束对变形起着重要作用，选择合适的约束和安放辅助密 封圈的位置，可以控制变形力矩，减小密封面转角，增大密封刚漏比值，提高其稳 定性。2 0 0 9 年赵中【3 2 】分别建立了非等径孔和等径孔激光加工多孔端面机械密封的分 析模型，通过采用有限元法对两种模型进行了数值计算，结果表明非等径孔的稳定 性更好、承载能力更大，密封性能更优越，推荐工程应用。 王霄、纪敬虎等人采用多重网格法对端面微凹腔造型机械密封进行了理论研究。 6 江苏大学硕士学位论文 2 0 0 6 年王霄【3 3 】等基于激光造型的实际形貌，建立了激光加工非接触锥形凹腔端面机 械密封性能的数学模型，确定了油膜控制方程及其边界条件，采用多重网格法求解 无量纲化后的雷诺方程对静环上均匀分布的锥形凹腔的形貌进行优化。2 0 0 8 年纪敬 虎刚通过结合雷诺空化边界条件，利用多重网格法对端面具有规则几何形貌的机械 密封流体动压润滑性能进行了研究，分析了机械密封工况参数与微凹腔结构参数对 密封端面问流体膜平均无量纲压力的影响规律。结果表明增大转速n 和粘度或减 小密封间隙c ，密封系数k 都会随之增大，流体膜的平均无量纲压力随之增大；凹腔 分布密度对流体膜平均无量纲压力大小的影响不大，凹腔深径比的影响较大，且在 不同的密封间隙下最优的凹腔深径比不同等。 陈汇龙、翟晓等人采用有限体积法对端面微凹腔造型机械密封进行了理论研究。 2 0 0 9 年陈汇龙、翟晓等【3 5 】利用f l u e n t 软件，通过求解n s 和k - e 方程对多孔端面 机械密封的密封端面间内流场进行数值模拟，得到环两侧在无压状态下液膜压力、 速度和能量分布云图，以及环两侧在加压状态下液膜动静压分布图。研究表明合适 的微孔尺寸可以产生流体动压效应；环两侧在有压差的时候，动压分布的改变能够 产生一定的液膜阻力，起到减缓泄漏的作用。 在试验研究方面，2 0 0 3 年于新奇等1 3 6 1 对激光加工多孔端面机械密封的摩擦特性 进行了试验研究，主要针对速度、载荷对摩擦力矩、摩擦系数和端面温升的影响进 行了分析，并与普通型机械密封进行比较。结果表明激光加工多孔端面机械密封的 端面温升大概是普通机械密封的2 0 ；在相同的运转条件下，激光加工多孔端面机 械密封的摩擦系数比一般机械密封的摩擦系数低得多，多孔端面的摩擦扭矩远远低 于普通密封端面的摩擦扭矩。2 0 0 6 年于新奇等【3 7 】在专用试验台上进行试验研究，发 现端面问的摩擦扭矩随着密封环转速提高而减小，当转速达到一定值时，摩擦扭矩 降低到很小值时密封端面分离，此时密封端面处于纯液体摩擦状态；多孔密封环端 面的微孔密度和微孔深度对摩擦扭矩和端面温升有重要影响，且有一最佳微孔结构 参数使密封端面的摩擦扭矩和温升最小；随着轴向载荷的增加，密封端面间的摩擦 扭矩和端面温升逐渐增大。2 0 0 7 年万轶【3 8 】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，结果表明与普通机械密封相比，微孔端面机械密封可将最大p v 值提高2 5 倍。 纵观国内外对端面微凹腔造型机械密封的研究现状可知，端面微凹腔造型机械 密封对于改善机械密封端面的润滑状态和密封性能，延长机械密封的使用寿命，是 7 端面微凹腔造型液体机械密封性能研究 非常有效的方法。但是由于受微凹腔加工工艺的限制、密封端面温度等性能参数的 测试存在较大困难，端面微凹腔造型机械密封的试验研究相对缺乏，更多的研究还 是集中于理论研究。而大部分数值模拟为二维计算且未经试验验证，理论研究还不 够深入和完善，尤其是对端面微凹腔造型机械密封内部流场方面的研究很少报道， 密封内部流动特性和机理及其与密封润滑性能之间的关系还有待探索。 1 4 本文主要研究内容 为了深入地分析端面微凹腔造型液体机械密封的性能，进一步探索其动压润滑 机理，本文拟在密封性能试验研究的基础上，以端面微凹腔造型机械密封的端面间 液膜为研究对象，采用基于有限元的有限体积法，着重对机械密封内部流动特性和 动压润滑性能等方面进行三维数值模拟与分析，从而为端面微凹腔造型机械密封的 设计和使用提供一定的理论依据。在参阅了大量的相关文献，全面系统地分析国内 外端面微凹腔造型机械密封理论研究和试验研究的基础上，本文的研究内容将包括 以下几个方面： 1 ) 进行端面微凹腔造型液体机械密封的性能试验，分析转速和介质压力对密封 端面摩擦功耗、摩擦扭矩和泄漏量的影响规律； 2 ) 基于流体润滑理论，建立端面微凹腔造型液体机械密封的计算模型。利用商 用软件a n s y sc f x 对端面微凹腔造型液体机械密封的内流场进行三维数值模拟， 求得不同转速和介质压力下密封端面的摩擦扭矩，并将数值模拟结果和试验结果进 行了比较，从而验证计算模型的可靠性； 3 ) 利用经过验证的数值计算模型，系统地分析不同工况参数( 转速、密封i 日j 隙、 介质粘度和介质压力) 和凹腔结构参数( 凹腔深径比和凹腔分布密度) 对密封端面 间液膜压力分布、剪切应力分布及密封动压润滑性能的影响，得出端面微凹腔造型 机械密封的适用工况范围和最佳的凹腔结构参数。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章端面微凹腔造型机械密封理论基础 2 1 工作原理 端面微凹腔造型机械密封属于非接触式流体动压型机械密封，具有一对相对旋 转的密封环，它的动环端面为普通光滑端面，静环端面均匀分布着具有一定型面的 微凹腔，如图2 1 所示。微凹腔为球冠孔、圆柱孔或圆锥孔等型式，其深度和直径都 是微米级。当两密封端面相对运动时，在微凹腔及其周围区域则产生类似油楔的动 压效应，每一个微凹腔像一个微动力润滑轴承，当液体动压与介质压力共同作用形 成的密封开启力超过闭合力时，两密封端面完全分离，并在密封端面间形成液膜， 此时密封端面间为纯液体润滑。相对于普通端面机械密封的混合摩擦、边界摩擦或 干摩擦状态而言，端面微凹腔造型机械密封的端面摩擦系数低得多，密封端面的润 滑状态能够得到明显的改善。 旋转方向 一一! 一 氧 动环 静环 图2 1端面微凹腔造型机械密封结构简图 f i g2 1s t r u c t u r es k e t c ho fm e c h a n i c a ls e a l sw i t hm i c r o - p o r ef a c e 此外，与普通机械密封相比，端面微凹腔造型机械密封还具有无法比拟的优点。 当密封环静止时，微凹腔存在液体，可改善较长时间不运行端面粘合的状况；当密 封端面间的润滑介质发生匮乏时，微凹腔可以作为润滑剂的微贮槽使其得以补偿； 端面微凹腔可以起到捕捉端面磨损颗粒和减少密封端面犁沟形成的作用，从而改善 密封端面的摩擦状况【3 9 1 。然而，端面微凹腔造型机械密封产生动压效应的机理及其 与相关参数间的影响关系是决定密封能否真正达到非接触和获得端面造型设计方法 的关键，故深入研究密封运转工况参数和端面微凹腔结构参数对密封性能的影响是 理论研究的重要方面。 9 端面微凹腔造型液体机械密封性能研究 2 2 流态分析 由于端面微凹腔造型机械密封的端面间液膜厚度为微米级，微间隙的摩擦状态 及流动状态比较复杂，为了研究液膜的流动特性，需要对密封端面间的摩擦状态和 流动状态进行判别。 1 摩擦状态判别 目前，机械密封端面摩擦状态的判断方法主要有以下四种：摩擦系数法、工况 参数法、迈尔法和相对膜厚法。参照文献【4 0 】，本文利用相对膜厚法来判断机械密封 端面的摩擦状态，相对膜厚f 定义如下： ：鱼：7 竺 ( 2 1 ) 。 仃 仃1 2 + 仃2 2 式中：h 平均膜厚，岬； 仃。、仃：两密封环表面粗糙度的均方根偏差，岬。 当p 3 时，密封端