（机械工程专业论文）pam装置改造关键技术研究.pdf

哈尔滨i ：样人学l ：群硕十学能论文 摘要 大庆炼化公司聚合物工程p a m 装置全套引进法国s n f 公司 技术与设备，9 5 年l0 月投产，生产活性聚丙烯酰胺。对大庆 油田稳产5 0 0 0 万吨原油将具有重要意义 p a m 装置在使用过程中发现密封失效，出现泄漏，生产效 率低。经多次反复查找原因，密封失效，出现泄漏原因是工艺 介质在密封面上结焦。生产效率低的原因是高分子聚丙烯酰胺 反应器底盖快速开启机构的设计不合理，造成反应物残留量 大，清理费时费力。解决问题的关键在于密封和高分子聚丙烯 酰胺反应器底盖快速开启机构的合理设计。本论文的主要工作 就是围绕这两方面展开的。 传动的机械端面、密封，在机封设计合理的情况下，端面的 磨擦热量与端面比压或成正比关系，如果端面比压过大，冷却 效果又不好，还会导致密封间的摩擦热散不掉，进而导致密封 面间过热，产生工艺介质在密封面上结焦。通过对螺旋槽密封 的研究，我们改用深槽密封可以有效的降低密封件的摩擦热， 杜绝工艺介质在密封面上结焦。 高分子聚丙烯酰胺反应器底盖快速开启机构通过有限元 分析计算，重新设计，有效的降低了反应物残留量，工作效率 提高了2 3 倍。 关键词：机械端面密封；反应器：有限元 哈尔滨 ：程人学1 ：科硕士学位论文 a b s t r a e t d a q i n gr e f i n in gc o m p a n yh a si n t r o d u c e das e to fp o l y m e r e n g i n e e r i n gp a me q u i p m e n tpr o d u c e db yf r a n c es n fc o m p a n y ， i tw a sp u ti n t op r o d u c t i o na n dp r o d u c e d p o l y pr o p y l e l i e a c y l i t h a sg r e a ts i g n i f i c a n c et ot h es t e a d yp r o d u ：c t i o no f5 0m i l l i o nt o ns c r u d eo i lf o rd a q i n go i lf i e l d i th asb e e nf o u n dt h a tt h e r ea r es e a l i n gf a i l u r e so fp a m e q u i p m e n t ir lus ea n dc a u s e d l e a k i n g a n dd e c r e a s e dt h e p r o d u c t i v i t y w i t hr e p e t i t i v ei n s p e c t i o n ，w h a t c a us e da b o v e p r o b l e m s ist h a tc r a f tm e d i ae s c h a r e dont h es e a l i n gf a c e t h e u n r e a s o n a b l ed e s i g no ft h es p e e d i n gm e c h a n i s mo ft h eb o t t o m c o v e ro ft h er e a c t o r c a u s e dd e c r e a s e dp r o d u c t i v i t ya n dg r e a t q u a n t i t y0 fr e a c t i n gr e s i d u e ，f u r t h e r m o r ed i f f i c u i tt oc l e a n t h e k e yo ft h ep r o b l e m sist od es i g nt h es e a l sa n dt h es p e e d i n g m e c h a n i s mo ft h eb o t t o mc o v e ro ft h er e a c t o rr e a s o n a b l y t h e m a i nw o r ko ft h isp a p e risa b o u tt h i sr e s p e c t m e c h a l l i c a ls e c t i o nso ft r a ns m is s i o ni ss e a l e d ，i fd es i g n e d r a t i o n a l l y ，f r i c t i o nh e a to fs e c t i o n s isi nd i r e c tp r o p t i o nt ot h e r a t i oo fs e c t i o np r es s ，i ft h er a t i oo fs e c t i o npr e ssi st o oh i g ha n d t h ec o o l i n ge f f e c tisb a d ，i t w o u i di e a dt ot h ea c c u m u la t i o ao fs e a l e dh e a ta a des c h a ro f t e c h n o l o g i cm e d i u mo nt h es e a l i n gs e c t i o n a f t err es e a r c h i n gi n t o t h es e a l i n go fs c r e ws l o t w ec h a n g e dt ouset h ed e e ps cr e 、s l o t t or e d u c et h ef l i c t i o l ih e a to fs e a l in gp ar t se f f e c t iv e i ya n da v o i d t h ee s c ha i orf e c hn o i o g i cm e d i u mont h es e a i in gs e c f i o l l b yf e d e s i g n in g a n d i ir la ly s i n g t h ef as t n l a c h i n e o f l 愉尔滨i ：榉人学1 氍硕 ：学戗论文 m a c r o m o l e c u l ep o f y p r o p y i e n e a c y lr e a c t o rb o t t o mcoveri nt h e m e t h o do ff i n i t ee le m e n t i tr e d u c e dt h eh a n g o v ero fr e a c t a n ta n d i n cr e a s e dt h ee f f i c i e l l c y2 3t i m e s k yw o r d s ：m e c h a l l i c a is e c t i o i lss e a l ；r e a c t o t ：t h em e t h o do ff i n “e e l e m e n t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已羟注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开 发表的作品成果。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准。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：兰整 ” 日期： 口弓年6 月1 6 曰 哈尔滨i 群人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源、研究背景及意义 1 1 1 课题的来源及意义 本课题来源于中国石油大庆炼化公司，中国石油大庆炼化公司组建于 2 0 0 0 年l o 月1 8 日，由中国石油大庆油田有限责任公司化工总厂和中国石油 林源石化公司合并重组而成；下属林源生产指挥部和炼油厂、润滑油厂、聚 合物厂、腈纶厂、动力厂6 个专业厂，储运销售公司、工程技术服务公司、 运输公司3 个专业公司以及8 个直属单位，公司机关设总经理办公室、人事 处、财务处、规划计划处、生产运行处、安全环保处、机动设备处、审计监 察处、企业文化处9 个处室；拥有主要生产装霞4 5 套，总占地面积2 0 3 平 方公里；现有员工7 2 2 7 人，平均年龄3 0 2 岁；固定资产原值为1 1 4 2 2 亿元， 净值为8 8 0 5 亿元；公司现有8 0 0 万口屯，年原油一、二次加工配套能力，以及 5 万吨年聚丙烯酰胺、2 0 万吨，年润滑油、l o 万吨，年石蜡、3 万吨，年腈纶等 生产能力：可生产3 8 种1 0 0 多个牌号的石油化工产品。年实现销售收入1 2 0 亿元。 炼化公司组建以来，在管理上建立了职业健康安全管理体系与环境管理 体系，扎实开展h s e 风险评价与管理试运行工作，科学预防事故、伤害及环 境污染。同时，大搞技术挖潜，优化生产方案，提高技术水平，改扩建35 万吨年催化重整装置。2 0 0 3 年要全面实现原油集中加工，大力开展装置的 改造，把现有的7 2 万吨年催化装置改造为8 0 l o o 万吨年重油裂解装置。 在未来的两年中，炼化公司将大力开发新领域，公司即将投资方向是建 设中国聚丙烯生产基地，建成一套国内最大的3o 力- 吨年聚丙烯装置，生 产聚丙烯产品，进一步拓宽市场范围。3 0 万吨聚丙烯生产线建成后，对机构 调整、增加工业值和工人就业将起到至关重要作用，而且还可带动地方工业 的发展。到2 0 0 5 年，大庆油f f 将进入后加工时代。到那时。实现一体化的炼 化完全改变了单一以石油为主的生产。通过机构调整，创造新的工业增加值 实现替代。 炼化公司聚合物生产主要产晶是聚丙烯酰胺，主要应用对象是汕m 三次 采油j 【艺，用于驱汕，随着聚i j ；e j 烯酰胺生产技术的发展，分子1 “r h l - - 、断提高， 堕女! 鎏! ：矍丛：i 兰堕! ：篮鲨皇 j 一 分子量由1 2 0 0 万上升到j 8 0 0 万。高分子量产品驱油聚合性能远高于中分子 量聚丙烯酰胺。因此，工业生产的方向是由生产中分子量转向高分子量聚丙 烯酰胺。 在聚合物产品开发上，针对市场的需求，坚持以科技为先导开发新产品， 以油田化学品技术开发为主攻方向。先后完成了阳离子、复合离子以及超低 分子量聚丙烯酰胺和细粉造粒等4 项科研开发项目和工业化生产，形成了阴 离子、阳离子、复合离子型聚丙烯酰胺系列产品，产品分子量实现了超高分、 高分、中分、低分等多品种格局。2 0 0 2 年完成了抗豁聚丙烯酰胺产品的技术 实验室研究，中试放大，并于2 0 0 2 年底完成国内生产能力最大、技术最先进 的抗盐聚丙烯酰胺装置工业化建设，该装置次投料成功，生产出合格产品。 它的建成解决了油e ：l 污水回注难题，提高了聚合物产品的耐盐性，成为公司 又一效益增长点，满足了油用三次采油技术的需要，对油阳三次采油具有重 要意义。 本课题目的在于解决抗盐新工艺的设备关键技术，关系到抗盐聚合物产 品开发，对大庆油阳原油稳产上产具有重要意义。经初步分析 经济效益：年产2 6 万吨，与中分子量聚合物价格相比每吨增加经济效益 0 ，6 万元 年经济效益为：2 6 0 0 0 * 0 6 = 1 5 6 0 0 万元 1 1 2 课题的研究背景 大庆炼化公司聚合物工程p a m 装置全套引进法国s n f 公司技术与设备。 1 9 9 2 年6 月开始与辉瑞公司、英国联合胶体公司、法国s n f 公司谈判，最后 确定采用s n f 公司技术，并于1 9 9 3 年1 月8 日签订合同，1 9 9 3 年3 月2 3 同 j 下式生效。合同总价为9 2 0 0 9 万美元。装置占地面积1 2 5 9 0 m 2 ，共有8 条生 产线，年生产阴离子型聚丙烯酰胺5 2 0 0 0 吨。采用丙烯酰胺、n a t 0 3 在过硫 酸酸胺、a z d n 的引发下聚合，中后水解均聚干粉工艺。1 9 9 3 年9 月1 5 同开 始土建，9 4 年1 0 月开始设备安装，9 5 年l o 月投产，生产活性聚丙烯酰胺。 对大庆油田稳产5 0 0 0 万吨原油将具有重要意义。 一、聚丙烯酰胺( p a m ) 装置工艺流程说明： 本装置采用丙烯酰胺( a m ) 均聚，碳酸钠( n a t 0 3 ) 共水解工艺，生产聚 丙烯酰胺干粉状产品聚合过程巾采甩先进的“三元复合法”引发体系，可 以使反应，阿急进行，螺杆式预研磨机更有利于胶体的造粒：振动式硫化床二r 燥器对产品进行两段于垛，q 进步提高产品的质量，而先造粒后干燥的t 哈尔滨i 程人学硕十学位论文 艺顺序，使粉尘的溢出降至最低限度。主要操作和工艺控制均由d c s 系统自 动完成。不但降低了：1 人的劳动强度，而且产品质量好，分子量可调范围大 ( 5 x 1 0 6 一1 8 x 1 0 6 ) ，因此应用比较广泛尤其在提高油阳的采收率方面起 到举足轻重的作用。 基本操作步骤如下： 催化剂 e x x s o l + g a f a c 热空气 d m wn a 2 c 0 3 图1 1 聚丙烯酰胺( p a m ) 装置工艺流程 二、聚合物的需求变化 随着油f f l 三采聚合物的推广应用，聚丙烯酰胺的用量逐年增加，并且对 高分子、高粘度聚丙烯酰胺性能要求有了新的发展。要求进一步提高产品分 子量和粘度，同时要求适于水质要求_ ：高，日具备耐盐性。从2 0 0 2 年起，大 庆炼化公司对现有的： 艺、设备进行改造自主开发出研制适于油f f i 水质条 哈尔滨门鼙大学颁士学经论文 件的新一代抗赫聚丙烯酰胺产品，迸一步满足了油刚的生产需要。眩产品也 是当今聚丙烯黻胺驱油的最新技术产品，在配制相同粘度驱油剂，比过去产 嘉蠢使矮更少瓣聚嚣繇酸胶，阕对哥菠趱污承配裁，这群霹涵隈三采爨有重要 意义。 三、工艺技术改造内容 该产鑫生产在骚工艺翡纂礁上，圭黉改遂，了反旋帮分酶工艺帮壤热了遥 粒后的水解工蕊。其中反成器和泵的改溉是设备改选的关键。该工艺要求反 艘过程必须谯绝对密闭的容器中进行，而过去的工麓反应器是非密闭的方型 容器。毅反成嚣的生产工蕊过程如下： 丙烯酝簸( 躺) 承溶液经过泵打入爱应器，在茨斑嚣中在氢气麴搅拌豫 氧过程中，缀引发荆引发蔽应。再经过2 至4 小时的熟化后生成聚丙烯酰胺 湖体( p a m ) 。因此，对反应器的结构的鼹求完全不同于过去的生产工艺中的 爱瘦器。 髑、技术改造中所需攻关的设备问题 i 、高分予量聚丙烯酰胺反应器改造 原反应器不适于瓤工艺，主要有： 1 ) 反应z 芑对反建：逡疆中夔密鹭要求不严籍，可黻豢压并嗣爱瘦。嚣薪 反应工艺要求反应过程必颁在密闭的空间中，即反应过程中不能接触氧气， 同时，反应邀程中也不能接触铁离子，褥者无法反成。原反应器为不锈钢常 臌开口方型容器，上盖密封不严，如用到新工艺，物料不能聚合反应，即使 卡棼密嚣改造，凌于上盖口避丈也无法皴爨承匿密封。濒鞋，魇反艨器无法潢 戆掰工艺生产簧求。 一 2 ) 出于新工艺配方的变化，物料发】囊形成胶体瞄挂壁现象严煎。原反应 器无涂层，因此，新反应器容器内必须增加涂层同时，也隔离开物料与钢 譬游离出的铁离子，确保工艺反应生产掇产品。 离分子鬟聚丙烯酸骏幽于韬往大，掰班，反应器必须是蓊式藤部茚耨型 式。这便要求憾盖具有两个功能，即反应时能够密封，反应结束时能够底部 方便开启。 2 、藏秘累竣遥 密封装澎疑机器和设备的重要组成部分，密封的性能对机器f = 勺3 2 作效率 承】可靠性有搬大影响。物料泵是新反应t 岂中的个关键设备，幽为h 哇矧n 溺蕊髟i l 如装戳盼i f 稳运纷。我们通过对该没器进行进行系统逑分辑秘援算， 哈尔滨i 群人：节硕十学位论文 ；i ；嗣茹= = = = ；茹茹= ；薯黼；i 茹茹= ；= = ；= = ；茹茹茹= ；= ；磷+ 技出了数障鼹主要原因，侵问题得到孵决，现分缨壹拜下。 l 密封系统筒分 物料泵的密封采用域端面机械密封，自带冲沈罐，冲沈液为水。 踅1 2 密瓣蓑统霾 有关操作参数： 转速2 9 8 0 r m i n 攥终篷力0 。0 4 m p a ( g ) ，操痒瀑瘦5 - 3 5 。c 2 存在的问题及原因分析 使用过程中发现密封失效，出现泄漏。造成密封失效的原因很多可 糍麴下：密封蓑瑟蠲彼入步 亲杂蔟；密势璃嚣滋滢不受：辍封葫静环 端面问做轴向开闭运动；动环制造腋量不好：密封液量不够或者冷却效 果不好，造成密封件温度过高；大气端机封弹簧压缩量过大；端面比压 过大等等。校握搜_ j 条 譬，经多次反复查找原因，确定工艺余囊摆密羹嚣土 结焦。 分析如下：( 1 ) 物料聚合特性，尚温度一高就会产生聚合现象而目随 渝度提高进步加剧。( 2 ) 密封液循环邂鼍：够或卷冷却冲沈效粜不好，造成 鬻封溢凄避赢。赞列这一骜况，我嚣l 除蠢了密封滚戆德琢溢寝：鬻鹭渣透明 温度3 7 。c 。m 口渝度i o 密封唆l 慨精度： j j ( 3 ) 机封弹簧撒缩过大。扶 堕! ! 蓬! ：型厶! ：蟹堂生焦塞 密封的结构上看，机封轴套应该位于密封腔的m 中部位，但可以通过少量调 整机封轴套与密封腔的相对位置来改变机封和介质端机封的弹簧压缩量。( 4 ) 端面比压过大。根据接触式端面密封的磨擦理论，在机封设计合理的情况下， 端面的磨擦热量与端面比压或成正比关系，如果端面比压过大，冷却效果又 不好，还会导致密封间的摩擦热散不掉，进而导致密封面问过热。因此上述 几方面原因是造成结焦的原因。 1 2 国内外机械密封技术的研究和应用概况 1 2 1 机械密封的发展历史 机械密封的发展历史，可以用表1 1 来说明。 表1 1 机械( 端面) 密封的发展简史“0 。 “， 年代发展历史 只v 值水平 发展动力 英国第一个端面密封的液压传动、蒸汽机 1 8 8 5 专利和机床产生 1 9 0 0 开始用于轴承密封作为油封 汽轮机上出现几个端面 1 9 0 8 密封 1 9 1 9 出现单端面密封 1 9 2 0 用于小型家用冷冻压缩 夏在塞瓣瑟上黟藏经囱鳕锥度帮弱秘瓣波疫，强逡锥度产生 附加的流体静压作用力，闵向波度产生流体动压 乍用力，他们共同形成了平 衡轴向力的开启力。 综上联迷，流体动压密封是剩璃麓封瑞面的宏观几赶形状横型来产生的 流体动匿效成的梳械密瓣，雷诺方程怒其理论基勰。 二、 深螺旋槽的流体幼压效应 由前蕊论述可以知邀，在密封面上开设有m m 莲级的流槽，与浅稽相比 属予深蘧密誉，冀佟臻豹撬理凝为羹杂，我霞翔滋，深螺旋稽戆整嚣是秘蕊 热流体锲效应来进行有效密封的。所谓的热锲效应就是由于压力变形和局部 热变7 肜产生的锲效应，因而也把这科i 密封称作热流体动压机械密封，它的结 橱与普通的搋缓鸯封势无多又区到，只霉：过据其动环或嚣环豹端辑上j 设一 些流偿。缕耋要的特点怒这种密封燕静t t ：l 喇，磨擦剿表面是平行乎丽，而程 喧丛迭! ：壁厶：登堕兰壁造塞 运转对。出于密攘生热的原因，密封环受热且不均匀，这种受热的不均匀， 密封瑟静平嚣度遭到藏坏并形成毂敛阍隙区域。慧之，由于力变形和热交形 使得在动、静环密封面k 形成的径向锥度产生了流体静压效应和因表面歼槽 环表面力变形形成的周商波度产生了流体动压效应。 2 3 本牵小结 本章变溪介绍了密封的基本概念殿深浅螺旋撼的作用机理，这是整个论 文王终豹瑗论依摇。 哈尔滨鼙人学硕+ 学能论文 第3 章深螺旋槽端面密封计算方法 3 1 液膜压力场的求解 一、概述 由于在求得密封面间的压力分布后就可以进行相关参数的计算，从而可 以得到摩擦损失、摩擦功、总泄漏量、摩擦系数、密封准数等。求解密封间 的压力分布是通过基本方程r e y n o l d s 方程来求得的，r e y n o l d s 方程是流体 力学中粘性流体的运动方程n a v i e r s t o c k e s 方程的一种特殊简化形式，它是 由0 r e y n o l d s 于1 8 8 6 年建立的。 由普遍采用的r e y n o l d s 方程： 未 砌3 羽+ 未i 篙笔b 1 掣 ， 可求得膜压分布1 。 当求得膜压分布以后，即先求得p = p ( r ，矿) ，然后确定承载能力w ，而承 载能力w 与膜厚有关，膜厚值可以从动环的轴向力平衡条件求得。之后，就 可以得到摩擦力矩，有了摩擦力矩和承载能力w 就能确定摩擦系数，同时也 得到密封准数等。 二、膜压力分布的求解 在求解膜压分布时本文所采用的以下假设： ( 1 ) 与液膜相邻的固体表面曲率半径远大于其液膜厚度；。 ( 2 ) 流体是牛顿流体，遵守牛顿粘性定律； ( 3 ) 与剪切力永l 压力项相比液膜受到的惯性力和体积力很小，可忽 略不汁； ( 。 ) l 【门i 液膜儆薄，与竺和尘相比，所有其它的速度梯度i t r 忽略不 d =d ： 汁； ( 5 ) 液憷j 年h 邻蛳体在界i 阿无十埘滑动； l 竹；瞑i 槲人7 帧十予：能论文 ( 6 ) 液膜压力沿膜厚方向保持不变，即挲：0 。 当流体与固体表面之矧作层流流动时，所形成的液膜压力分布可以 由以下偏微分方程来表示： 扑z 删卦扑：砌，翳4 掣+ 警1 旦虻趔+ntg3axf 0 旦a y 虹监f 0 型“g 。 z ， 1 “。i + r “r k 护a ) 、1 z + ) ：一( 删) 。 式中，t 为时间；各函数按下列计算 肚r f 1 ：f “三出：z 3 f 0 ，z 3 ：旦 州聍，u f 2 = r p 考( h j k f 3 2 上p g - 泐la 。u o 司r ) 卜 g 2 = r z 鲥a zk j f 0 6 r ) k g 3 ：艮当疋 州 d z 式( 3 - 2 ) 称为普遍的r e y n o l d s 方程，它适于求解在非稳念j j 二况下的用 牛顿流体润滑的热流体问题。 由于我们经常考虑的是稳态问题，使问题稍微简化。当为稳态二r ：况 i i , j ，即铂g - - o ，通常情况u 卜，裹丽速度l 1 、l 1 2 、v l 、。2 郁为常数， 这样方程( ：j 一2 ) 谯牲坐杠l ：卜可以确 e 为 堕堑堡! ：壁厶堂塑堂生堡塞 耕+ g 1 ) 讣爿( f 2 + g 1 ) 溯一z 等+ 泞。， v z 掣_ ( f 小m ，去( 兰等) 一刊，瓢兰等 _ 等刊等 一 此式就是适于稳态工况下热弹流润滑问题的r e y n o l d s 方程在柱坐标系 下的表达式。 考虑到稳态问题，而且在机械密封众，摩擦副中的动环随转轴一起旋转， 而静环静止不动。因此就有如下边界条件： u l = o j r ，u 2 = 0 ，v l 一0 ，v 2 = 0 又因为机械端面密封中膜厚极薄，只有几个微米，所以就可以考流体密 度沿膜厚方向是不变化的，即有宴：0 ，于是就有这样的条件满足： g 1 2 g 2 2 g 3 2 0 ；f 3 。p k 2 p f l 于是，方程( a - a ) 就简化为： 导( 伊z 罚t 未( f z 矧= 凹未( p 期 c 。一。， 如果忽略流体介质粘度沿膜厚方向的变化，那么就有： 胀r 扣= 私出焉 小c = 寺c 破= 笔 一 f l 列2 而 隆蜉( j k2 号心捆蛾2 篙 将上面求得的系数代入到( 3 - 4 ) t i ，得到机械密封中等稳条件下普遍采刚i 的 监a ! 蔓! ：塑态堂丝主主生造塞 吾未f r 丛1 2 7 望a r ) 、1 1 2 7 十吾未【坐1 2 r 篙r 2 搿未 c 硒， 一lr 一一十一一l 一一1 2 一埘一l 硝i | t 0 0 ， r 蚤r lr 孝8 l 囊疹j 吝移”。 对不可压缩的等温流体，p = c o n s t ，7 = c o l l s t ，则上式就可变为 未( 旗3 警) + 吾寺( 矿焉) = 6 删嚣 或 未( 砌3 警) + 土r 旦i o f l 。3 竺1 = 6 攀嚣 c 。删 对于内流式机械端黼密封而言，谯a o 密) 封面的内外径处的压力值是己知的， 因在密封璇上揩油深槽，槽内的流体充足，于是就可以设定槽内的流体压力 等于密封公葳压力，即 在r = r 。_ 季鼗稽边界蠢p = p 。 在r = r 。p = p ( 3 7 ) 由于麒厚沿轴向是变化的，在收敛区产生很高的压力，而在发散区可能 产生一定貔受基，毽液羧掰藐承受瓣受基是有一霆羧度嚣，这撵在萋受压怒 过某一德时就会使液膜产生空化现缘，于是就在w 能产生空化的边界上采用 雷若边界祭件，即为： f 妒= 0 在窒蘧魏逑券上， 曼：望 i 静a 口 或 在空化的边界上，尹= 塞= o 出( 3 6 ) 式箱道该方程式用于不可雁缩、秸度为常数，即聿占度不随澄度的变 化，压力对润滑剂特 生的影响可以忽略，则式中的h 值可以如下表示： i - - - - ”母恐+ s ( 糟) (3-8) 假设无量纲间隙i = 兰( ：3 - 9 ) 。 则( 3 - 8 ) 式就变为： 万：i + 笠三二整f 缪 s - 9 “) kl r tb 。 、3 于是将( 3 - 6 ) 式无量纲化，把( 2 - l o a ) 代入可得： 未( 鬲3 善) + 吾未( 百3 嚣 ( 3 - 1 0 ) 无量纲的边界条件是：当f = 趸时，芦= 芦；当f = 夏对，f = l 。 利用有限差分法进行数值解，用5 点对偶差分将公式( 3 - 1 0 ) 离散化， 知魄两，一胁虏助 酬崩味必加一浯 + 知+ 学i 13 i 弧+ 簪“瑚警扣鸣 离散后的边界条件 当瓦= 豆时，_ o ，= 芦， 当瓦，；= 1 时，瓦+ = 1( i ，j = 0 ，l 2 ，3 n ) 当p 沁= p 妇，一f l = p 。，。+ i 利用( 3 1 1 ) 及以上的边界条件可的流体膜的压力分布”。i “：。 本论文在计算螺旋槽密封端面的流体膜压时，采用了瑞利( r a y l e i g h ) 阶梯轴承的求解方法来求解密封端面膜压。“。在求膜压时，可分为轴向和径 向瑞利阶梯轴承两个效应来求解。 图3 1 ( r a y l e i g h ) 阶梯轴承 如图3 - 1 所示，可以选定一个突台和与其相邻的螺旋槽作为研究对象， 静坏类似于阶梯轴承以一定的速度相对于动环运动。周向效应是以螺旋槽端 为入【l ，突台为出口：弪向效应是螺睫槽的人进小【l _ h ，则匮力分靠如一f ： 突台i 夏的膜瓜分布形式如下： 矿 篙产+ 硌 晚。i = 一掣+ 口 ( 0 = 0 - - - ) n ) 、( r = 甘r z ) 螺旋槽区的压力分布形式如下： & 、一牌= 掣十b + 墨! 半 1 磊，拂= 一掣+ 见+ 墨半 ( o = o _ j r ) 、( r = 呻) 密封坝区的压力分布式为： 儿：堡碰： ( r = - ) 式中： k l = r + n 妒精 k 3 = 6 1 t 0 9 啦等等 廿糕筹 k ，= 6 1 u c o t g ( a f ) n 螺旋槽数 a 螺旋槽角 h 螺碇懵闻隙 ( 3 一1 2 b ) ( 3 1 2 c ) 搿 吃一 喧丛蓬! ：型厶鲎堕羔：笪竣黧 以上各式中豹变基r 豹变化范豳楚r = r 。- - r ? 。出式( 3 - 1 2 a ) 、( 3 1 2 b ) 所求褥酶发敬区鲍压力霹畿为受僮，藏受篷超过了一定斡掇限，滚骥就会窭 现空化现象，在有可能的空化边界上采用雷若边界条件，即； 在空化边界上： rp = o 亚：塑：o l0 pa ，” ( 3 ：1 2 d ) 式是用来计簿密封坝区处的膜压值，只有先通过式( 3 - 1 2 a ) 、 ( 3 - 1 2 b ) 、( 3 - 1 2 c ) 求爨半径r = r ：筮稳菱力篷，然嚣求餐。 3 2 密封端面的摩擦扭矩及相关参数确定 一、鞭述 机械密封端面的摩擦扭矩及相关系数长久以来都是人们密切关心的问 题，因为它是区分摩擦状态和决定摩擦功耗、磨损量、摩擦发热量及端面温 度的主要影响因素，也怒决定一个密封件使用寿命翮密封好坏的一个颁为重 要懿霆素。彩旗摩擦系数貔嚣素魄较爱杂，它与密瓣豹载蓑大，l 、运动速发、 表面形虢、材料性能、介质秸度等都肖着非常密切的关系。西藏，一般情提 下它是很滩用计算的方法直接算出。猩实践中，w 以通过实验的方法来测得 摩擦扭矩，然后再计算出摩擦系数以及其他相关的参数。其他的参数有密封 准数，摩擦系数与密鸷准数熬关系曲线是一条缀爨爱的基线、缎鬻技称为簸 特受壳魏线。本章主要怒通过莲论计簿静方法亲确定摩擦系数，褥裂摩擦系 数与转速、摩擦系数与密封准数、滕擦系数与液膜载荷以及泄漏量与转速的 关系曲线“1 。 二、总的承载能力与摩擦扭矩的确定 l ，慈戆承载笈鸯黪麓定 总承载能力计算表达式为： w c 4e ! m 而 ( 3 ) = 。磊嚣蒯妒e ”譬东。嚣r d r d 妒+ r 。焉暇r d r d q ， t e ( 3 一1 2 a ) 、( 3 1 2 b ) 、( 3 1 2 c ) 、( 3 1 2 d ) 式代入到( 3 1 7 ) ，即 1 i ，= j ：rr 【兰二嘉二扫只+ 墨盥噜型】伊 ；y ，= “ t 一兰名三i i ；点童毋p + 羔i 上三墨 尘二二2 l ，露，z 睁 哈尔滨1 氍人学硕十学位论文 ，= 【警0 + 专- o r d r d t 9 眠= rj ：卜高挚 日r d r d 0 = ”e 【半，十e ) r d r a 0 其中，韩式中豹压力如采为受值或为0 。弱压力等y - 0 。因诧，憨承载蕤力及 为 w = 啊+ + 职+ + 吧= 只 ( 3 - 1 7 a ) 2 + 摩攘搓矩嚣确定 通常摩擦扭矩m i = f p 。h 柬确定，但由于摩擦系数是事先不知道的，因j 嗽 通过此式不可能计算出摩擦扭矩，由瑞利阶梯轴承单位宽度上的总摩擦阻力 为： f 。= 垡芝等掣 ( 3 - 1 8 ) 。焉名( 一。等) 乏 粼 瓦= 2 n l 以d r 量 = 耦( 4 1 n a - 6 剖r 2 - r ，3 ) 亏二是密封端纛熬慧摩擦力簌帮免： m ，= f 。 上式中啊= h i + ； 2 = h n 端露联刻螺纹搪数翳 a = 一槽深与膜厚篦 u 角速度 u 动力粘性系数 h ，穰中麓陵 h ：台咔l f 刚隙 n 螺f 惫 菏外! 径 r g 蠛旋撞内半径 堕自! 基! ：型厶主堕：羔堡丝塞 ( 当量摩擦半径) 3 摩擦系数的确定 当我们计算出承载能力以及摩擦扭矩后，就不难确定摩擦系数，摩擦系 数的表达式可由下式来表达： ，：生：生( 3 - 1 9 ) p r 。w r 。 4 、密封准数的确定 密封准数是一个无因次数群，对研究机械密封的摩擦状态十分有用，它 与流体介质的动力粘性系数、密封面均径处的滑动速度、密封面的宽度以及 法向总载荷( 或总载荷能力) 相关。密封准数与摩擦系数构成的关系曲线， 是一条很重要的曲线，由之可以对摩擦状态进行判断。 密封准数可以有下式来确定： g ：p v b( 3 2 0 ) f 朔 a 密封面面积 w 总承载能力 b 密封面宽度 卜流体介质的动力粘性系数 v 密封面平均半径处的滑动速度 从上面式子可以发现，当在同一压力、同一角速度条件下，随着p 。的增 加，其值会相应地减小，同时由于流体介质粘度是一个与温度有关的参数， 如果介质温度升高，势必会降低粘度系数，导致密封准数的减小，在流体润 滑条件下，由于f - g 成f 比关系，也会使摩擦系数相应地减小。 5 密封在内径处的泄漏量 机械密封是用来进行防止泄露的，它的最为主要的性能就是密封性。机 械密封泄露的原因很多，一般而言是由于摩擦副端面发生泄漏，这是泄露的 主要途径。另外，就是山于辅助密封元件的损坏或磨损、配合4 ：好、o 性环 挤出、永久变形等因素均会导致密封。肚能的破坏有时法兰和轴套挚圈的 密封也刁j 可忽视。通常按照机械密封技术条f ，| ：j b 4 1 2 7 8 5 规定来认为机 哈尔滨l ：料人学硕士学位论文 械密势约瀵灞量是否合格，对于轴经d 5 0 m m 的，其灌漏量不废大予5 m l l h 丽辘径不大于5 0 r a m 躯，箕澄漏薰不波大于3 m l l h 。 如果实际泄漏量超过了理论汁算值的2 5 0 倍，责任为该密封已经失效， 尤其对于那些有剧毒、易燃、易爆、强腐蚀的的产龆而言，要对乏就会更高一 些，甚至黉求绝对不港漾，吞裂会产生严重豹磊暴。在瑗场中誉攀要弼每分 钟泄露的滴数来作为密对好坏的标澈，对于接触密封来说，它可以做到零 瓒 漏，但是潋分地追求达到泄漏少，会是密封面的润滑不利，即公缩短使用寿 会又会增麴设诗上的弱难。 对予嚣绥触密封丽蠢，利用“上油泵送”的原瑗，将密封断瓣激成各静形 状的流槽，就可以使密封达到零泄漏。如图3 2 所示 繇霜 叠簿 图 吻猡。 图3 , 2 “上游泵邀”示意图 密封在内径处的渣漏爨可由卞式确定： 9 = ”r 封蹶一z r 荆棚 ：一熟煎二窆 ( 3 2 1 ) 孔f 哈尔滨r 科人学颐士：学位论文 3 3 本章小节 本章主要介绍深浅螺旋槽端面密封的计算方法，作为实际工作中改进 p a m 密封装置的理论依据。 哈尔滨1 件 卜硕o 附沦正 4 1 撮逑 第4 章静力学分析的有翼元理论 有强元法亦稼有鞭苹元法或鸯双元素法，是运蚓离教纯匏戳念，将连续 介质或结梅鲻分成许多令有限大小盼子区域集合，恕每拿予区域称作为单元 或元素将单元的集合称为网格，两实际的连续介质( 或结构) 可以看成为这 些单元在它们的节点上榴互连接而缎成的等效集合体。离散化的结构与真实 结稔夔区掰在于擎元与零元之秘翡逡接涂了繁点之终，再无 壬倪连蔟，这萃孛 连接要满慰变形协调条件。 有限元的基本方程： 【p = 膨】【石( 4 1 ) 式中：【瑚为整体继掏节点载萄到终； k i 为整俸污g 发矩阵； 【翻为整体结构节点位移列阵。 4 。2 空阀应力分毒嚣的基本方程 对于空m 问题，节点的坐标应悬空间坐标系( _ ，v ，：) ，发节点他移为f f 、 扎w ，应变分量为f 。、f ，、f ：、如、 。j 。二。，应力分量为舻。、口。、口 。r 。r 。、r ：。，一共有1 5 个来知溺数。魏巢窄闻结构离敝为 个繁点， 那么结构撼体刚度矩阵【捌就是( 3 1 1 3 n ) 阶方阵，1 柑点位移列阵和节点载荷列 阵应包含有3 ，】个分量。 1 ) 3 拿位移分萎： v 】= 瓣 t ”f4 2 ) 2 ) 6 个心受分餐，其疗程为： 卅= 【f 。f 、f ky 、r 、l f ( 4 3 ) f ：，f i 、f 圮孛jj j t 变的静向川件州制牝说，行舒 a 的苡哒力： i 喻尔滨l ：稃人学硕十学位论文 。= i 1 p 。一，们、+ 仃：) 】 f 、= l a , - i t ( 盯：+ 盯。) 】 占：= 圭旺一如。+ 叫】 y n = 三型_ 二上壁! f 。n e j y 、：三幽f ，：e ，j ：y ： k ：掣勺。，二r丌。0 ( 4 4 ) 相应地，几何方程为： 吲= 罢考芸舅+ 芸瓦e q v + 面西, v 警+ 警 7 h 固 3 ) 6 个应力分量，其基本方程为： 口1 = 盯。盯，盯=f 廿f y ：f “】7 ( 4 6 ) 根据物理方程，由式( 4 4 ) 可写出用应变分量表示的应力分量表达式： ( 4 7 ) 铲南卜南e ”南卜南0 妒南卜尚e j 盯= 一l 占+ o _ l l + l l 一2 ，f f ，= ：j “ 2 ( i + 舶、 e 7 y 二2 而y j ：2 ( 1 十f ) 一 e 7 ：r2 j 而万y 二。 哈尔滨程人学颐十学位论文 4 3 等参数单元的基本概念 等参数单元是一种具有复杂形状的高精度单元，其坐标和位移是用同样 的参数( 即形函数) 来描述的，且所用的参数个数与阶次也完全相等。 对于空问等参数单元，其坐标变换关系为： 工= n 。( 善，7 ，o x 。 y 二n 。( 善，印，o y z = n 。( 芋，7 ，f ) z i 式中：x 。y 。，z 。为节点i 的坐标值： f ，叮，f 为局部坐标值： l ( f ，口，f ) 为单元的形函数 n 为单元节点数。 则单元的位移函数可写成： 一j ( 孝，刁，f ) “ v = n ，( f ，r l ， n 。( 善，仇m ( 4 8 ) ( 4 - 9 ) 式中：i t 。，_ l ，f ，w f 为节点f 的实际位移值。 关于形函数，有如下性质： ( 1 ) 在节点i 处，= l ；在其它节点，n i = o 。 ( 2 ) 在一个单元中所有节点的形函数之和为l ，即n = 1 。 i = 1 ( 3 ) 形函数与插值函数属】j 同一类型函数，位移函数是多项式时则形函 数也是多项式。 对1 ：2 0 仃点的等参数f 幻i ，够函数的统一表达式为： 哈尔滨i ：料人学硕十学何论文 n ，= ( 1 + 彘) l + 编) ( 1 + 磊) 磊+ 繇+ 磊2 ) 嚣t , - 嚣8 ：尹1 7 2 嚣：z 姑：耋嚣：r ：；答参h 4 t 4 一- 。， + ( 1 一) ( 1 + 厶) ( 1 + 磊) ( 1 一) 毋等 ( 1 一f 2 ) i + 羲( 1 1 1 0 ) ( 1 - 岔) 等爵4 式中；彘= 毒善；, 7 0 = 碾节；磊= f 其中，+ “叮，f f 是节点f 在i 日坐标系中的坐标： 。 4 。4 窒溜等参数单髭 4 4 。l 单光特征分析 根据几何关系，空间问题的几何方程为： 【翻= s x y s ： 芦f y k y 二r = 【碉【艿笋= f b ；b 2a 凌 4 磊 m f 4 一i l ) 孙孤跏一砂融破塑破塑砂挑一曲塑酚立如塑孤 哈尔滨i 科人学硕十学协论文 式 式中：【b 】_ 刚= “ v ， w 上式的形函数i 是局部坐标的函数它对整体坐标求导时，有以下关系 写成矩阵形式为 o n 。 a 善 a n a 刀 o n 。 a f a 1 敲 ：i 尝 d y o n 。 l 赴 矩阵称为三维的雅可比矩阵，其表达式为： j 】- 孤 a 手 a r a 盱 矗l a f 西一 a 善 a 、一 a 叼 a 、- a f a z a 善 a = a ，7 a = a f f 4 1 3 ) ( 4 1 4 ) o o毫一弛。押一却押一孤 o w一砂。拊一孤一弛o 一孤o o l毫一砂。拊一赴 弛一吖跳一却赴一w 巩百巩瓦盟旋 + 砂一却砂一狮砂一嘭盟砂巩一砂盟却 + + + h一嘭孤一却越一w 盟孤塑巩盟孤 巩一蟛盟却w一嘭 晴尔滨l ：科人学硕十= 学做论文 式中 剥用式( 4 一1 3 ) 求得： 萃元瘦力茨计算公式为： 盯】= ， 盯。 盯： = 【d 】【嚣】【圆。= d b ； 而 f d 】随】；弼 式中 u= 弹性矩阵【移】为： = 【，r ot ；r 。】。 d b 2 ad 戡】【司。 o n ； 酞 p 咝 1 孤 碳掣 程x v , o n ，, 一 d v o 矿：l 卜一f f e ( i z ，) 砭警 k 警 o n i o z o 毪警 v , o 打n r 一 ( 4 一1 5 ) f 4 一i 6 ) ( 4 一1 7 ) ( 汪l ，2 t ，i ) ( 4 - 1 8 ) ( 4 一1 9 ) k 0 醚一嘭盟v。 l i l 曲一西韭嘭 趣虿。 i i 羡一蜡 碱一髫阻一两塑嘭 巩i亳_一匆盟弛 邀锄砒可恶氇 ； ； 盟孤盟旋。 叹。 弧瓦 。 ，一磅 揣吨 ： 嵋 致一 哈尔滨i ：程人学硕十学位论文 【d 】2 瓦e 丽( i - , t 丽o l 上上00 l 一，fi 一f 上l 旦00 l 一，fl 一，f 生j 生 1 00 oo ；o 上丝o。o 2 ( 卜肋 oooo 旦生o 2 ( 1 一肋 o o ooo ! 二丝 2 ( 1 一肋 单元刚度矩阵的表达式为： 时= 耐 d b d x d y d z = a k i 。 a k 2 。 m a k 。， ( 4 2 0 ) ( 4 2 1 ) 式中每一个子阵的表达式为： 【】= j f j 【b i 】7 【d 】 b ， a x d y d z = j = 。h c 。【口，】7 【d 】【口刊，l d 影彬f ( i ，j ，= l ，2 ，n )( 4 2 2 ) 4 4 2 等效节点载荷的计算 1 ，集中力等效节点载荷 设单元上某点受到集中力【r 】_ 豫。r 。r = ，移置到单元f 节点上的 等效节点载荷为： f 】；= 。 f 、 f ? ： = ( n ，) 。 r ， r 。 r (