（安全技术及工程专业论文）激光加工多孔端面机械密封性能研究及结构优化.pdf

a b s t r a c t b e i n gan e wt y p eo fm e c h a n i c a ls e a l s ，m i c r o - p o r e sa r ee t c h e do no n ef a c eo f t h es e a l m e c h a n i c a ls e a l sw i t hal a s e r - t e x t u r e dp o r e ss e a l f a c e ，a r eo fe x c e l l e n t l u b r i c a t i n ga b i l i t ya n dg o o ds e a lp e r f o r m a n c ed u et on o n c o n n e c t i n g b u tm u c hw o r k h a sn o tb e e nf o c u s e do ni n v e s t i g a t i n gt h em e c h a n i c a l s e a l s at h e o r e t i c a lm o d e li s d e v e l o p e df o rm e c h a n i c a ls e a l sw i t hal a s e r t e x t u r e dm i c r o p o r es u r f a c e ( l s t m s ) i nt h i st h e s i s f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o di su s e dt oo b t a i nt h en u m e r i c a lv a l u eo f t h e s e a l p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa td e f i n i t ec o n d i t i o n s ，a n ds t u d yt h ee f f e c t s o ft h e d l f f e r e n tm i c r o p o r e d e p t hh ， a n da r e a d e n s i t ys 口o ft h ep o r e so nt h es e a l p e r f o r m a n c e s ，w h i c hm a i n l yi n c l u d el e a k a g ea n df r i c t i o np o w e r c o n s u m p t i o n a n d h e n u s i n gm u l t i 。o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o nm e t h o d ， at r a d e o f f f u n c t i o no f n g i d i t y 。t o 。s p i l l a g er a t i oi sd e r i v e da n dt h eo p t i m i z e dg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa r e o b t a i n e d 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 s f o i l o w ： 1 at h e o r e t i c a lm o d e lh a s b 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 f m e c h a n i c a ls e a l sw i t hal a s e r t e x t u r e d p o r e ss e a lf a c e a c c o r d i n gt ot h eb a s i c a s s u m p t i o n s ，l i q u i df i l mp r e s s u r eo v e ro n er a d i a lp o r ec o l u m nc a nc h a r a c t e r i z eo n e o v e rt h ei n t e g r a t e ds e a lf a c e b ym e a n so fv a r i a b l ed i m e n s i o n l e s ss t e p s 。n u m e r i c a l a n a l y s l 7 a 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 n p e r f o r m e dt oo b t a i nl i q u i df i l m p r e s s u r eb yf i n i t ed i f e r e n c em e t h o d m e a n w h i l e ，t h el e a k a g e ，f r i c t i o n p o w e r c o n s u m p t i o na n dr i g i d i t y 。t o s p i l l a g er a t i oc a nb ea c h i e v e db yc o m p u t e rp r o g r a m v c + + a n dm a t l a b 2 t h ef r i c t i o n p o w e rc o n s u m p t i o no fm e c h a n i c a ls e a l sw i t hal a s e r - t e x t u r e d p o r e ss e a lf 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 s c a l c u l a t i n gf r i c t i o n p o w e rc o n s u m p t i o nb e t w e e ns e a lf a c e sh a sb e e n d e r i v e d e l e c to fs t r u c t u r e p a r a m e t e r so nf r i c t i o np o w e rc o n s u m p t i o nh 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 i t s s n o wt h a to p t i m u ms t r u c t u r ep a r a m e t e r sm a x i m i z et h ef r i c t i o np o w e r c o n s u m p t i o n 3 af o r m u l ah a sb e e np r e s e n t e dt ob eu s e da sc a l c u l a t i n gl e a k a g eo f m e c h a n i c a l s e a l sw i t hal a s e r t e x t u r e d p o r e ss e a lf a c e ，a n dr e s u l t ss h o wt h a tl e a k a 2 ei s d e p e n d e n to nt h em i c r o p o r e d e p t ha n da r e ad e n s i t y s os e l e c t a p p r o p r i a t e m l c r o 。p o 托d e p t ha n da r e ad e n s i t yt oh y d r o d y n a m i ce f f e c tr i s e ，p o w e rc o n s u m p t i o n a n di e a k a g eo fm e c h a n i c a ls e a l sw i t hal a s e r t e x t u r e dp o r e ss e a l f a c ea r em u c h l o w e r i i 硕士学位论文 4 u s i n gm u l t i o b je c t i v e o p t i m i z a t i o n m e t h o d ，at r a d e o f f f u n c t i o no f r i g i d i t y - t o - - s p i l l a g e r a t i oi sd e r i v e da n dt h eo p t i m i z e dg e o m e t r i cp a r a m e t e r sa r e o b t a i n e d ，w h i c ho f f e r sr e l i a b i l i t yt h e o r yf o u n d a t i o nf o ro p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h e m e c h a n i c a ls e a l sw i t hal a s e r t e x t u r e dm i c r o - p o r ef a c e k e y w o r d s ：m e c h a n i c a ls e a l s ；s u r f a c em i c r o p o r e s ；h y d r o d y n a m i ce f f e c t ； s e a lp e r f o r m a n c e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；g e o m e t r i co p t i m i z a t i o n i i i 激光加工多孑l 端面机械密封性能研究及结构优化 插图索引 图1 1 机械密封基本结构1 图1 2 圆弧槽机械密封图4 图1 3 径向槽机械密封4 图1 4 人型槽机械密封5 图1 5 直线槽机械密封5 图1 6 双螺旋相机械密封5 图1 7t 型槽机械密封5 图1 8 螺旋一雷列槽机械密封6 图1 9 倾斜槽机械密封6 图1 1 0 具有半球形微孔的机械密封7 图1 1 1 具有返流泵送槽的密封端面1 0 图1 1 2 激光硬化密封端面1 1 图1 1 3 多孔密封端面1 l 图2 1 端面全开孔15 图2 2 端面部分开孔：15 图2 3 坐标系与润滑表面17 图2 4 具有微孔的密封副1 9 图2 5 具有微孔密封表面的几何形状2 0 图2 6 密封面膜厚与微孔的几何尺寸一2 1 图3 1 微孔区、非孔区及其液膜厚度2 6 图3 2 微孔尺寸及其微元面积2 7 图3 3 坐标系与润滑表面3 0 图3 4 液体微元在z 方向的受力分析3 0 图3 5 普通光滑端面机械密封轴向受力分析3 3 图3 6 激光加工多孔端面机械密封轴向受力分析3 4 图4 1 有限差分网格节点4 0 图4 2 计算流程图4 1 图4 3 微孔深度对摩擦功耗的影响4 3 图4 4 微孔密度对摩擦功耗的影响4 3 图4 5 微孔深度对泄漏量的影响4 4 图4 6 微孔密度对泄漏量的影响4 4 i v 硕七学伊论文 图5 1 刚漏比丁与微孔深径b y , s ，微孔密度s ，的关系曲面图5 0 图5 2 刚漏比丁与微孔深径比s 的关系曲线一5 1 图5 3 刚漏比丁与微孔密度& 的关系曲线5 1 v 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：7 螽虱搠 日期：0 2 哆年月日 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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：彦j 司豫 熟暾j 弘弓 ， 硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 机械端面密封( m e c h a n i c a lf a c es e a l s ) 是一种轴向端面密封，简称机械密封， 又称端面密封，是流体机械旋转轴密封最为主要的类型，使用量很大，应用面很 广。图1 1 为最常见的普通机械密封结构，它主要由静环、动环和补偿机构( 弹簧) 等组成。静环静止不动，而动环随旋转轴一起回转并与静环紧密贴合以阻止密封 介质的泄漏。动环和静环端面作相对滑动，由于密封端面间的互相摩擦必然会产 生磨损，此时动环由于补偿机构的作用可以作轴向移动，从而保持密封端面间的 良好接触，以保证流体不会从密封端面泄漏。另外，辅助密封圈与其接触部分无 相对运动，属于静密封，施加一定预紧力可保证各密封点紧密不漏。 簖“篇黜矧骶踺秘蒋凄剥l 谄| | t| l |l 图1 1 机械密封基本结构 1 紧固螺钉；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 由于机械密封具有密封性能良好，使用寿命长，对轴或轴套几乎无磨损，抗 震性强等一系列优点，因此被广泛应用于泵、压缩机、搅拌反应釜等旋转机械上， 也常用于齿轮箱、阀门、旋转接头、船舶尾轴、火箭发动机、航空发动机等的轴 封。为了防止环境污染和适应现代化大生产的苛刻要求，各国投入大量人力物力 进行新型机械密封技术的研究与开发。 自从18 8 5 年英国最早出现第一个机械密封专利及本世纪初应用于工业以来， 机械密封的发展已经走过了10 0 多年的历史【1 1 ，初期的机械密封结构比较简单， 材质也差，使用寿命短。二十世纪五十年代以后，为了满足宇航、核电、天然气 输送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 推动了该项技术的进步，不断涌现出密封新结构和新材料，逐步形成了比较系统 的机械密封理论 2 1 ，并广泛地开展国际交流与合作【3 1 。目前国际上有不少专门从 激光加上= 多孔端面机械密封性能研究及结构优化 事研究、生产和销售机械密封产品的学术团体和国际跨国公司，如英国流体力学 组织( b h r g ) 、欧洲密封协会( e s a ) 、美国流体密封协会( f s a ) 、美国j o h nc r a n e 公司、德国b u r g m a n 公司及日本的皮拉公司等。我国从6 0 年代开始认识和使用机 械密封，随后陆续生产、研究，形成一定的研究、设计和生产能力【4 ，5 ，6 ，7 ，引，并 制订了一系列的标准1 9 】。 经过一百多年的发展，机械密封技术取得了长足发展，但是随着节能问题的 突出和环保意识的增强，如何降低能耗、提高密封的可靠性和延长密封寿命是人 们普遍关注且日益重视的研究课题。深入探索密封机理，开发新的密封结构是机 械密封科研人员的追求。 1 2 流体动压型机械密封的理论研究 传统的接触式机械密封是动、静环在弹簧和介质力作用下直接接触，密封面 间无润滑剂，存在密封承载能力低，摩擦、磨损严重以及泄漏量大等缺点，因此 使其应用受到很大限制。为了从根本上改善密封端面间的润滑状况，人们想象如 果在两密封端面间形成具有一定刚度的流体膜，将两端面分开，机械密封就成为 非接触式，密封面间的摩擦只有流体间的内摩擦，这必将极大地延长机械密封的 寿命。 在流体动压型机械密封中，流体动压力是靠静环和动环两密封面间相对运动 时槽的台阶效应和输送效应产生的。其理论基础是流体润滑理论，关键问题是得 到密封端面流体动压力的大小及分布规律，主要控制方程为r e y n o l d s 方程或 n a v i e r s t o k e s 方程。 在进行流体动压型机械密封的理论研究时，通常采用近似的解析法和数值分 析法，两者各有其特点。解析法能直接揭示物理模型的本质，是一种重要而简捷 的研究方法，但由于控制方程精确求解的困难，不得不进行必要的简化，使求解 的结果与实际相差较大。随着电子计算机的出现和迅猛发展，数值分析法成为研 究动压型机械密封性能的强有力手段。求解r e y n o l d s 方程的数值方法通常采用有 限差分方法和有限单元法，两种方法均有其优点和不足【l 0 1 。 动压型机械密封理论源自于轴承理论。二十世纪六十年代，w h i p p l e ，1 2 1 研究了等距排列的平面平行槽与平板间的流体流动情况，建立了开槽面与平板间 流体压力分布模型。在此基础上，m u i j d e r m a n 1 3 】采用复变函数保角变换理论将 螺旋槽模型转化成平行直线槽模型，并重点考虑槽端部的影响，逐步完善了螺旋 槽轴承理论，为研究开槽轴承和动压型机械密封奠定了理论基础。随后j a m e s 1 4 j 等采用有限差分方法研究了气体润滑螺旋槽平面推力轴承的性能，他采用坐标变 换法解决了螺旋槽曲线边界应用有限差分法所遇到的困难，此方法一直被广泛采 用。 2 硕十学位论文 二十世纪七十年代初，g a r d n e r 和z u k 将动压轴承理论应用到机械密封研究， 其成果发表在第四届国际流体密封会议上【1 5 ，1 6 】。前者用解析法研究了带有弧形 螺旋槽端面非接触密封的流体静压原理和动压原理，而后者则采用有限差分法求 解了模拟螺旋槽密封的直线平行槽模型的流场和压力场，结果表明当槽深与槽宽 的比值很小时，横截面涡流对螺旋槽轴向流的影响可忽略不计。随后g a b r i e l 1 7 】 发表了重要文献“螺旋槽非接触机械密封基础”，总结了螺旋槽非接触机械密封 的典型结构，论述了非接触机械密封的基础理论，阐明了操作条件和设计参数对 密封性能的影响。该文献于l9 9 4 年重新发表【1 8 】。 1 2 1 气相动压型机械密封的理论研究 二十世纪八十年代至今，动压型机械密封理论逐步完善、日趋成熟，并出现 了多种槽型的动压机械密封结构。在此期间，气体密封的研究较早，w a l o w i t 和 p i n k u s ”】采用有限差分法研究了端面中间开矩形浅槽的机械密封性能。随后， 楔形面【20 1 、平底台阶槽【2 1 1 、移动波【22 1 、周向泵送槽和雷列槽2 3 1 等槽型产生动 压效应的机理均得到理论分析。19 9 1 年王建荣1 2 4 】等用常规的有限单元法对圆弧 槽泵入式气体非接触式机械密封性能进行分析，其结构如图1 2 所示。作者计算 了密封端面间的膜压分布和膜压系数，认为以最大刚漏比作为气体机械密封结构 参数优化的依据，用最大刚漏比处的参数作为优化参数，指出设计时应选择较大 的载荷系数，这一设计理念与常规机械密封有着很大差异。l9 9 2 年，b a s u 25 】研 究了径向槽气体机械密封，其结构如图1 3 所示，分别采用有限差分法和有限单 元法在密封面的动压区求解了可压缩流体的控制方程，分析了双向气体端面密封 的性能，指出在一定操作条件下，密封面上产生的开启力及泄漏量是膜厚的函数。 2 0 0 0 年，s h i f e n gw u 2 6 】等采用计算流体力学方法，在不采用任何假设的情况下， 求解了完整的n a v i e r s t o k e s 方程，分析了螺旋槽气体机械密封端面间压力的变化 规律，以及流体在密封面和动压槽内的流动规律，结果表明不论是在密封环的旋 转表面还是在静止表面，所产生的动压效应完全相同，没有位置上的区别。密封 面间以及螺旋槽内的气膜计算参数( 如压力和密度等) 在轴向任何位置不发生变 化，这一结果对传统薄膜润滑理论以及相关的简化控制方程的假设的正确性是强 有力的证明。从密封面间流体膜的压力、密度和速度分布可知，螺旋槽的动压力 是由“边界驱动泵”和下游与槽内径处对气体的压缩产生。r u a n l ”j 采用有限单 元法计算研究了在低速( 5 0 0 r p m ) 、低压( 0 3 m p a ) 条件下滑流对螺旋槽气体机 械密封的影响，指出滑流对密封面分开时的速度、泄漏量、气膜刚度以及操作性 能有很大影响。计算可知，在给定气膜厚度下，如果不考虑滑流的影响，开启速 度、相应的泄漏量和液膜刚度分别减小2 0 ，31 和7 3 。同时，z i r k e l b a c k 2 8 】 也采用有限元法求解了等温可压缩流体用于螺旋槽轴承和密封中的非线性雷诺 3 激光加t 多孔端面机械密封性能研究及结构优化 方程，计算得到的密封面上的压力分布，可分别用于评价密封开启力、泄漏量和 动压系数，同时给出了螺旋槽机械密封对于可压缩流体的优化参数。 图1 2 圆弧槽机械密封图图1 3 径向槽机械密封 随后，国内科研工作者也对气体动压型机械密封进行了较为广泛地研究。王 美华【2 9 】研究了人字形螺旋槽气体密封，如图1 4 所示，建立了计算密封环分析模 型，用有限单元法求得了密封环的温度分布、力变形和热变形，为结构优化、设 计先进的机械密封提供了依据。19 9 4 年，蔡文新等1 3o j 分析了螺旋槽气体密封间 隙内气体的运动规律，采用有限单元法求解分析了螺旋槽密封压力分布。同年， 吴宗祥等【31 】也采用有限单元法对螺旋槽、圆弧槽和直线槽在低速下气体机械密 封的性能进行了研究，得到了适合低速条件下的密封环结构，以最大刚漏比为基 准对三种槽型密封在不同条件下进行结构优化，证明在低速下圆弧槽和直线槽端 面机械密封是能够实现动、静压相结合的密封形式，而且具有泄漏量少，摩擦系 数低等特点。随后，彭建【32 j 采用八节点有限单元法对螺旋槽气体机械密封进行 了计算，得到了密封端面问的气膜压力分布，并优化了密封面的部分结构参数。 胡丹梅等【”】研究了直线槽端面气体密封，如图1 5 所示，建立了密封面间隙内的 气体运动的分析模型，采用八节点有限单元法计算得到了直线槽端面气体密封的 压力分布，研究了密封端面几何参数对密封性能的影响，指出直线槽气体密封具 有“开启速度”现象，并以较大刚度时的最大刚漏比作为目标函数，利用优化理 论进行多参数单目标参数四维寻优计算，并且绘出了优化监线图。19 9 9 年，刘雨 川【3 4 】采用修正准一维可压缩流的泄漏流分析计算方法，考察了跨密封边界压差、 坝宽、膜厚和旋转效应对径向泄漏流大小及其会否出现阻塞流的影响，其结果与 n a s a 提供的经典理论计算结果、准一维可压缩流分析结果及试验结果是一致 的。 随着密封技术的不断发展，非接触螺旋槽机械密封被广泛地应用于气体压缩 机的轴封，并且具有良好的密封性能。但是以往的密封面结构只能单方向旋转， 压缩机停车和反转时，气体出现反向流动，会导致密封面不必要的磨损，严重时 会导致密封面的损坏，影响密封性能。为了阻止停车和反转时密封端面间的接触 磨损，迫切需要双向旋转气体端面密封。19 9 2 年，m a s a n o b u ”】等对锥形台槽双 向气体机械密封进行了研究和分析，结果表明这种结构在反向旋转时能够提供满 4 硕十学位论文 意的非接触性能，应用于高压压缩机时保持足够低的泄漏量。双向旋转气体密封 的研究与应用，促进了人们对螺旋槽机械密封反转性能的理论研究。19 9 3 年， n o s o w i c z l 3 6 】介绍了具有双螺旋槽结构( 组合螺旋燕尾槽) 和t 型槽的双向旋转气 体端面密封，如图1 6 和图1 7 所示，试验和实际应用结果表明，双向气体端面密 封的泄漏量、端面温升以及端面磨损远低于单向气体密封，因此这种密封具有很 高的稳定性。l9 9 5 年，k o w a l s k i 矛lb a s u 3 7 1 采用有限差分法分析并设计了具有反 转能力的螺旋槽气体机械密封，通过对螺旋槽的槽数、槽角、槽深和密封坝与槽 宽比等结构参数的优化，在设计压力和转速下，不仅正向旋转具有很好气膜刚度， 而且在低速旋转时达到了满意的反向旋转能力。试验和实际运行表明，即使在振 动较大的场合该螺旋槽气体密封也具有很好的工作性能，反转时密封环有轻微的 接触，但端面温升和磨损量均在许可范围内，其密封性能与压力、速度和反转时 间有直接关系。 入型穗 图1 4 人型槽机械密封 图1 5 直线槽机械密封 蠢缝疆 图1 6 双螺旋相机械密封图1 7t 型槽机械密封 1 2 2 液相动压型机械密封的理论研究 液相动压型机械密封性能的理论研究较气相机械密封晚，其密封结构和分析 方法均借鉴了气相密封。液相动压型机械密封性能的理论研究始于l9 8 8 年， i k e u c h i 3 8 】采有限差分法分析计算了螺旋泵送槽与雷列台阶组合槽的机械密封性 能，其结构如图1 8 所示。分析结果表明，这种组合槽具有很好的动压效应。19 9 2 年，s a l a n t l 3 9 】研究了液相倾斜槽和螺旋槽动压型机械密封，倾斜槽如图1 9 所示。 作者采用有限差分法计算分析了转速、锥度、半径比、槽深、槽的斜度以及槽数 等结构参数和操作参数对密封性能的影响，结果表明两种槽型均具有良好的“上 5 激光加： 多孔端而机械密封性能研究及结构优化 游泵送( u p s t r e a mp u m p i n g ) 能力，即：把少量密封低压侧( 下游) 中性缓冲流体 增压泵送至高压侧( 上游) ，并在密封端面由缓冲流体形成一层完整的流体膜，可 大大降低泄漏量。随后他又对螺旋槽上游泵送机械密封的润滑液膜进行了数值分 析1 40 1 ，结果表明轴向刚度和泄漏量取决于密封操作工况和设计参数，指出优化 设计的螺旋槽上游泵送机械密封在双端面密封中具有很高的轴向刚度，并且可以 使缓冲液达到负泄漏，然而将其应用于单端面密封时，由于过渡空化导致轴向刚 度为负值，使密封性能严重恶化，表明螺旋槽上游泵送机械密封不适宜单端面密 封。同时，非接触零泄漏螺旋槽机械密封也有了进一步发展，并且采用计算机这 一先进手段来优化液体润滑非接触机械密封参数【4 1 1 。 残撼 攫麓攘 图1 8 螺旋一雷列槽机械密封图1 9 倾斜槽机械密封 我国的科研人员对液相动压型机械密封也做了一些工作。19 9 4 年，张俊玲【4 2 】 等介绍了一种新型非接触式机械密封，认为雷列一螺旋槽组合型机械密封既能产 生动压液膜，又具有自泵汲作用，并且静止时也具有密封能力。并对该结构的密 封原理、密封能力和工作特点进行了分析，得到了密封压力和油膜厚度的计算公 式，提出了结构优化设计的方法。朱良【43 】等对液体介质的环形槽端面机械密封 机理进行了探讨，用有限差分法研究了膜厚与泄漏量的关系，从理论上分析了压 差、转速、波度等因素对泄漏量的影响。19 9 8 年，彭建等 4 4 】利用现代数值计算 技术，采用有限单元法对三种不同槽型的上游泵送密封结构进行了研究，并且对 上游泵送密封槽型结构进行了优化。试验结果表明，用计算机优化设计出的三种 上游泵送密封结构完全能够实现密封的非接触运行，达到了微泄漏、微磨损，保 证密封的长周期运行。之后，宋鹏云利用螺旋槽轴承的“窄槽”理论，计算分析 了螺旋槽上游泵送机械密封的开启力、摩擦功耗和上游泵送速率等性能，给出了 可用于该类密封设计的计算式【45 1 ，采用有限差分法对影响上游泵送机械密封性 能的操作因素和结构因素进行了计算分析【46 | ，并提出液体非接触机械密封“零 压差零泄漏”密封观点1 4 川，理论分析指出密封端面存在气液分界面，并推导出 了确定单端面外装同向双槽机械密封汽液分界面半径的解析表达式。随后，郝木 明等分析了上游泵送机械密封的工作原理、结构型式和技术特征【4 引，采用有限 元方法对上游泵送机械密封进行了数值分析【49 1 ，得出了一定条件下螺旋槽上游 6 硕士学位论文 泵送机械密封端面间的压力分布、开启力和上游泵送量等，结果表明螺旋槽上游 泵送机械密封端面液膜内的压力分布呈三维凸形曲面，证明该密封具有明显的流 体动压效应，低压侧的流体向上游泵送到槽底直径处压力增至最大值，之后利用 优化理论对螺旋槽上游泵送机械密封端面参数进行优化设计1 5 0 。 除了以上各种槽形的动压机械密封，微孔端面机械密封是最近几年刚刚出现 的一种动压型机械密封。19 9 4 年，e t s i o n 等采用解析法获得对具有微孔材料作为 密封副的密封端面间的压力分布、泄漏量和动压系数，分析结果表明微孔面密封 具有轴向液膜刚度，与传统的机械密封相比，其密封性能有较大改善。之后， e t s i o n 又建立了密封端面具有规则半球形微孔的机械密封模型，如图1 1o n 示， 分析计算了端面结构参数对摩擦力矩和泄漏量的影响，结果表明这种结构的机械 密封具有全液膜非接触机械密封所具备的性能【5 。19 9 9 年，他又对激光刻槽机 械密封机理进行了理论分析和试验研究，阐述了操作条件与开启力之间的关系， 并对参数优化，使密封面的开启力和液膜刚度最大【5 2 | 。 2 r ， h 一 v 审一 一八 o 一熏l 小 一卜、 y中v 2 r o ( a ) 密封端面微孔分布( b ) 端面微孑l 结构 图1 10 具有半球形微孑l 的机械密封 1 3 端面微孔机械密封研究进展 1 3 1 端面微孑l 机械密封发展概况 端面微孔机械密封起源要追溯到上世纪8 0 年代末，首先k a n e n k o 于19 8 9 、 19 9 0 1 5 3 , 5 4 】年分别对密封材料上微孔的静压、动压效应作了研究。接着e s t i o n 于 l9 9 4 55 】年对端面部分具有微孔材料的密封性能和动力学特性进行了研究； 19 9 6 f 51 年对具有规则半球形微孔的机械密封模型进行了研究；1 9 9 7 5 6 】对提高激 光加孔端面机械密封的寿命进行了实验研究；1 9 9 9 1 5 2 】年对激光刻槽机械密封机 理进行了理论分析和试验研究；2 0 0 2 5 7 】年对端面部分微孔机械密封静压效应进 行了研究。与此同时其他研究者也对其产生了浓厚的兴趣并做了大量的研究，如 2 0 0 1 5 8 1 年w a n g 等研究了激光加工微孔碳化硅摩擦副在水润滑情况下，从流体动 7 ( 激光加t 多孔端而机械密封性能研究及结构优化 压润滑过渡到混合润滑状态的临界载荷；2 0 0 l 【5 9 j 年k l i g e r m a n 发现把微孔机械密 封应用到气体密封领域也是非常可取的。目前，国内有于新奇、彭旭东、杜东坡 等人也相对于端面机械密封进行了_ 些研究，尤其是于新奇在2 0 0 4 6 0 】年对端面 开全孔的微孔端面机械密封性能进行了较为详细的研究。 1 3 2 端面微孔机械密封理论研究进展 端面微孔机械密封理论研究目的是查明端面微孔机械密封的机理，获得操作 参数和结构设计参数对密封性能的影响规律，为其工业应用提供理论支持。重点 是确定端面间压力分布，进而来获得其它密封性能参数。最早的理论研究源于 19 8 9 、19 9 0 年k a n e n k o 关于多孔材料环形平面密封的研究 5 3 , 5 4j ，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，与实体端面密封相比，在相当的主阻 尼的情况下，其主刚度项较大、交叉耦合刚度较小。并且这种趋势随着多孔材料 的厚度的增加越发明显。19 9 4 55 1 年e s t i o n 对具有微孔材料的机械密封做了研究， 他结合前人的经验采用解析法获得了密封端面间的压力分布、泄漏量和动压系 数。研究结果表明该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，而对于无孔实体端面密封就没有这种刚度，但前者的泄漏量比后者的要高。 与锥面机械密封相比，发现该密封具有更高的临界速度、更好的轴向追随性、更 低的横向摆动刚度( 降低了5 8 ) 、更小的阻尼系数。19 9 6 5 1 】年e s t i o n 建立了具有 规则分布半球形微孔机械密封的物理模型，通过求解雷诺方程获得了端面间压力 分布规律，然后在一定初始条件下预测了密封性能指标( 包括开启力、摩擦力矩、 泄漏量) 。研究表明选择合适的微孔尺寸对密封性能相当重要。最佳微孔尺寸取 决于液体的粘度、压力以及微孔密度，一般来说：在粘度较低、压力较高、微孔 密度较小时最优的微孔尺寸减小。并且指出微孔密度最好不超过2 0 ，当超过这 个值时，密封性能提高就不明显了。1 9 9 9 5 2 】年e s t i o n 对激光加工微孔端面机械密 封机理进行了理论分析，首先建立其理论模型( 圆柱形微孔) ，然后采用有限差分 法进行数值计算，预测操作条件与开启力之间的关系，并对参数优化，使密封面 的开启力和液膜刚度达到最大，发现微孔密度与密封端面的半径比对平均压力影 响很小，另一方面孔深与孔径的比值对平均压力影响很显著，微孔形状为半球形 时性能最差，还发现微孔效应很大程度上取决于动压效应和静压效应之间的联 系，如果静压效应占主导，则空化现象不是被完全消除了就是被约束到孔的一小 部分，从而孔的效应就没有了，该密封就变成传统的没有孔的密封了；如果静压 效应相对于动压效应非常小，则其密封性能与传统的没有孔的密封相比有了显著 的提高。2 0 0 2 5 9 】年e s t i o n 对激光加工微孔机械密封进行了研究，与之前不同的是 该机械密封的静环表面只有部分环形区域有微孔。与之前类似首先还是求出端面 问静压分布的表达式，然后在假定初始条件的限定条件下，定性地分析了对静压 硕十学位论文 分布影响最大的3 个参数口、s 。、占万之间的相互影响关系。其中口为开孔环形 区与整个环形区的宽度比值，s 。为微孔密度，占为微孔深径比，万为密封副的间 距与直径比。为获得该类密封装置的设计参数提供了很重要的理论依据。 1 3 3 端面微孑l 机械密封实验研究进展 微孔机械密封的实验研究相对理论研究晚一些，最早于1 9 9 7 t 5 6j 年e s t i o n 对提 高激光加孔端面机械密封的寿命进行了实验研究。结果表明该类密封在提高液膜 刚度和延长使用寿命方面有了显著的提高。在实验中他对光滑且平行的密封副和 激光加工微孔的密封副都进行了研究并加以对比。实验所用动、静环的材料均为 4 3 4 0 钢，硬度为5 4 h r c ，内径为2 6 m m 5 7 - 径为3 8 m m ，抛光处理后微孔平均直径为 9 0 9 m ，深度在2 2 6 9 m 之间，微孔密度为2 5 ，平均摩擦系数为0 0 1 0 0 2 。实验 条件：转速为5 0 0 3 0 0 0r m i n 、载荷为6 0 3 0 0 n 、润滑油为p a zu l t r a4 0 ，4 0 时 粘度为0 13 6 p a s ，lo o 时为0 0 1 4 p a s 。实验结果表明没有微孔组织的密封副在 载荷为12 0 n 以下能形成完整的液膜，载荷在12 0 15 0 n 之间将不能形成油膜，而 对于有微孔组织的密封副即使在载荷大于15 0 n 时也能形成完整的液膜，指出没 有微孔组织的密封副发生粘合时最大尸y 值不超过1 2 5 m p a m s ，平均( 尸功m 。x 值为 1m p a m s ，而有微孔组织的密封副当孔深为2 6 9 m 啮合时的平均( 尸功m 。值2 m p a m s ，相对于前一种来说提高了10 0 ，当孔深为7 微米时即使尸y 值大于2 5 m p a m s 时也不会发生粘合，这至少提高了15 0 。19 9 9 t 5 2j 年e s t i o n 对激光加工多 孔端面机械密封进行了实验研究，实验装置与前一次的一样，静环的材料为s i c ， 动环的材料为碳石墨，内外半径分别为14 m m 、19 7 5 m m ，动环转速为 3 0 0 5 0 0 0 r m i n ，密封液体为水。他首先用实验装置作了研究，结果表明端面间 平均压力随端面问隙的增大而减小，即开启力随间隙减小而增加。然后在实验室 把具有微孔的端面密封和普通光滑的密封分别安装在泵上进行运转，运行后发现 光滑的密封环上面有明显的磨损，而具有微孔的密封环就像新的一样没有磨损。 2 0 0 2 5 9 】年e s t i o n 对端面部分微孔机械密封进行了实验研究，密封副的材料为碳化 钨( w c ) 、内外直径分别为3 2 m m 、4 2 1 m m ，静环上的微孔区域分布在3 3 7 4 2 1m m 之间，微孔的参数分别为h 。= 6 9 m 、= 3 0 9 m 、s 。= 5 5 、口= 6 6 。研究发现该 密封在减小摩擦力矩和降低端面温升方面与普通机械密封有了显著的改善( 当压 力为2 3 b a r 的情况下，前者摩擦力矩才0 5 n m ，而对于后者，压力为12 b a r 的时候 摩擦力矩就达到了5 n m ；当压力为1 lb a r 时前者端面间的温度为31 ，而后者此 时的温度为3 8 ) 。2 0 0 2 6 1 】年p r i d e 对机械密封中端面微孔组织对启动力矩和碳 石墨表面形成泡疤的影响进行了实验研究。研究表明，当工作流体为矿物油时，。 激光加工多孔端面密封具有更低的启动力矩而能降低泡疤的形成率；但对于高粘 度的流体( 如p a o 油) 结果就不同了，虽然具有较低的启动力矩但泡疤的形成率却 9 激光加】多孔端面机械密封性能研究及结构优化 较高，这是由于在激光加工的时候表面会另外产生裂纹当启动时泡疤就会从这 些裂纹上产生。 14 激光技术在机械密封端面加工中的应用 在端面密封硬质环上开出微观纹理或流槽。通常的深度为微米级，义因硬质 环的材质大多数是碳化钨、碳化硅或硬质台金等材料，若用电化学腐蚀或机械加 工等方法处理，效率低、成本高，且无法满足特殊表面和尺寸要求。采用先进的 激光表丽处理方法刻制微观纹理或流槽! l l l j 具有加l 方便、尺寸精度便于控制等特 点，且可应用十处理任何材质。 l4 】激光加工“返流泵送”结构 1 9 9 7 印m t l l l e r i “1 提出了一种新结构，采用激光技术存密封端曲上加工出 深度为1 1 0 微米的l 吸入槽和返流泵送槽，称为“返流泵送( r e t u m - f l o wp u m p i n g ) ” 结构，如图1i i 所示，并利用有限单元法分析了耕封端面之问流体的流动及压力 分布，同时对其进行试验，结果表明这种槽型具有较大的承域能力。 j j 二：舅连叁i 辑u4 。 一：= 日4 图 ii 具有逗流泵遘槽的密封端面 近流泵送的基本原理是：返流泵送槽和吸八槽收集密封边缘的液体进入密j 寸 端面问，在旋转端面的作j ；| j 下，返流槽又拖曳端面问的液体沿槽边向密封腔流动。 泼设计结构能够在距离密封腔很近的区域( 最多0 5 r a m ) 产生附加静压力和附加 动压力，使密埘端面分离，实现密封端面之日j 的非接触。由于液体由返流泉送槽 和吸入榴从密封腔进入到端面之蚓，最后又返流到密封腔，冈此叫做“返流泵送”。 吸入槽和返流泵送槽可以安置在同密封面上，也可以分招于相刘的两个密封面 e ，在后一种情况下返流结构和吸入槽周期性的交迭，可以产生更大的载荷承城 能力。 返流泵送密封结构具有以f 一些优点： 硕十学位论文 ( 1 ) 可以减少密封环的径向宽度，从而可以防止端面的过热和磨损； ( 2 ) 利用被密封流体来密封自身； ( 3 ) 静止时可以保证泄漏尽可能得小； ( 4 ) 由于密封面槽型为对称分布，所以适合于不同的旋转方向； 激光加工“返流泵送 密封面能够在全液膜状态下工作，泄漏量低，同时具 有很低的摩擦系数。激光加工“返流泵送”密封面在锅炉热水循环泵进行试验和 应用，结果表明采用激光处理技术可以扩大密封的应用范围，与普通机械密封相 比，热水温度可提高5 0 ，并且运行更