（机械制造及其自动化专业论文）三种不同端面几何形貌机械密封的性能试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 为了改善机械密封的密封性能和端面摩擦副的润滑状况，人们将表面造型技 术应用于机械密封以实现机械密封的零泄漏和非接触式运转。目前研究最广最深 的是上游泵送机械密封和端面凹腔结构的动压型机械密封，但这两种机械密封也 有一定的缺陷：泵送槽机械密封动压力不大；凹腔机械密封在泄漏问题没有得到 解决，并且在较大的端面比荷情况下磨损严重。为解决这两个问题，本课题组提 出了槽腔结合造型的机械密封以同时实现零泄漏和非接触，并从理论和试验两个 方面进行了研究。 一、理论方面。 基于流体动压润滑理论分别建立了端面泵送槽形貌和端面凹腔形貌的机械密 封流体动压润滑的数学模型，介绍了求解此数学模型的数值解方法。选择研究人 员此前对槽和腔研究得出的最优参数，应用c f d 软件f l u e n t ，分别对端面螺旋槽造 型机械密封环、端面凹腔机械密封环和槽腔结合机械密封环的进行了数值模拟。 1 、对螺旋槽密封环的模拟显示：泵送槽区存在一定的动压力；整体液体压力 分布在槽尾翼处较大，因此在一定的工况范围内能地域抵御介质压力。 2 、对凹腔密封环的模拟显示：凹腔上方及其周边能产生流体动压力；凹腔底 部压力最低，最容易产生空化效应。 3 、对槽腔结合密封环的模拟显示：槽腔结合造型环的端面动压力分布较之单 一螺旋槽造型环的端面动压力分布更均匀，有利于密封环运行的稳定性；槽腔结 合环的端面整体动压力要比纯槽端面动压力大。 二、试验方面。 分别对端面凹腔机械密封环、槽腔结合机械密封环和未造型机械密封环进行 了密封性能和摩擦性能的试验。对试验结果进行分析是得出以下结论： 1 、两种造型的机械密封与未造型机械密封相比，具有明显优越的密封性能和 摩擦性能。具体表现为：凹腔机械密封在一定工况范围内无泄漏，且具有相对于 未造型良好的摩擦性能；槽腔结合机械密封在1 2 种工况中均无泄漏，其摩擦系数 远小于未造型的。 江苏大学硕士学位论文 2 、凹腔机械密封也存在一些缺点：在介质压力较小工况下试验时存在泄漏； 在介质压力大而转速小时摩擦扭矩较大。而槽腔结合机械密封不存在该缺点。 分析表明：泵送槽的泵送效应提高了密封环的密封性能、还具有一定的动压 效应；凹腔的动压效应改善了密封环的摩擦性能，这与理论研究的结果相一致。 槽腔结合密封环的槽除泵送效应外，还能容纳液体，具有润滑作用，为凹腔的动 压效应的产生提供了物质基础，泵送槽和凹腔耦合的效果远远大于两者各自效果 之和。凹腔环在端面载荷较大转速小和密封环存在振动的情况下静环微凸体与动 环的凹腔壁形成剪切与碰撞，将增大摩擦。 关键词：机械密封，激光表面造型，密封性能，摩擦性能，性能试验 江苏大学硕士学位论文 i no r d e rt oi m p r o v es e a l i n gp e r f o r m a n c ea n dt h em e c h a n i c a ls e a lf a c ef r i c t i o np a i r l u b r i c a t e dc o n d i t i o n s p e o p l e p u ts u r f a c em o d e l i n gt e c h n o l o g yf o rm e c h a n i c a l s e a l m e c h a n i c a ls e a lt oa c h i e v ez e r o l e a k a g ea n dn o n c o n t a c to p e r a t i o n t h em o s tw i d e l y r e s e a r c h e do n e sa l eu p s t r e a mp u m p i n gm e c h a n i c a ls e a la n ds e a lw i t hm i c r op o r e s h o w e v e rt h et w om e c h a n i c a ls e a l sa l s oh a v es o m es h o r t c o m i n g s ：d y n a m i cp r e s s u r eo f p u m p i n gg r o o v em e c h a n i c a ls e a li sn o ts t r o n g a n dl e a k a g ep r o b l e mo fc a v i t ys e a lh a s n o tb e e ns o l v e d ；b e s i d e s ，s e r i o u sw e a la n dt e a rm a yg e n e r a t eu n d e rl a r g e rp r e s s u r e c o n d i t i o n t os o l v et h e s et w op r o b l e m s ，s e a l 丽mm i c r op o r e sa n dp u m p i n gg r o o v e s t o g e t h e ro nt h er i n gf a c ew a sd e v e l o p e dt os i m u l t a n e o u s l ya c h i e v ez e r o - l e a k a g ea n d n o n c o n t a c t s t u d ya b o u ti tb o t ho nt h e o r yr e s e a r c ha n db e h a v i o rt e s ti su n d e rt a k e n m a t h e m a t i c a lm o d e l so fg r o o v em o d e l i n ga n dp o r em o d e l i n gw e r ee s t a b l i s h e d b a s e do nh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o nt h e o r y n u m e r i c a ls o l u t i o nm e t h o di si n t r o d u c e dt o s o l v et h i sm a t h e m a t i c a lm o d e l r e f e rt ot b eo p t i m i z e dd e s i g nr e s u l t so fp a r a m e t e r s a b o u tg r o o v ea n dp o r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so ng r o o v em o d e l i n g ，p o r em o d e l i n ga n d g r o o v e p o r em o d e l i n gw e r ec a r d e do u ts e p a r a t e l yb yc f ds o f t w a r ew h i c hn a m e d f l u e n t f i r s t l y ，i ti ss h o w n f o r mt h es i m u l a t i o nr e s u l to fu p s t r e a mg r o o v er i n gt h a tac e r t a i n h y d r o d y n a m i cp r e s s u r ee x i s t si ng r o o v ea r e a a n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ew h o l ef l u i d p r e s s u r ei sm o r ec o n c e n t r a t e di nt h ee n do ft h eg r o o v ew h i c hs u g g e s t st h ea b i l i t yo f k e e p i n gl e a k a g e o u t s e c o n d l y ，i ti ss h o w nf o r mt h es i m u l a t i o nr e s u l to fp o r er i n gt h a th y d r o d y n a m i c p r e s s u r ee x i s t so v e ra n d a r o u n dt h ep o r e a n dt h ed i s t r i b u t i o np r e s s u r ea tt h eb o t t o mo f p o r ei sl o w w h i c hi m p l i e st h er i s ko fc a p i t a t i o ne f f e c t t h i r d l y , i t i ss h o w nf o r mt h es i m u l a t i o nr e s u l to fg r o o v e - p o r e r i n gt h a t t h e d i s t r i b u t i o n o fg r o o v e - p o r er i n gi sm o r ee q u a l l yt h a np u r eg r o o v eo n e b e h a v i o rt e s tw a sc a r r i e do u ts ot h a ta d v a n t a g e sa n ds h o r t a g e so fe v e r yf a c e m o d e l i n gc o u l db ec o m p a r e d t w ot y p i c a lt y p e so fl a s e rs u r f a c et e x m r i n gs e a l s - - s e a l w i t hm i c r op o r e sa n ds e a lw i mm i c r op o r e sa n dp u m p i n gg r o o v e st o g e t h e ro nt h er i n g f a c ew e r et e s t e do ns e a la b i l i t ya n df r i c t i o n a lb e h a v i o r ，c o n t r a s t i n gw i t hn o n - t e x t u r i n g s e a l c o n c l u s i o nc o u l db ed r a w na c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft h et e s ta sf o l l o w s h i 江苏大学硕士学位论文 o nt h eo n eh a n d ，i ti ss h o w nt h a t ，t h et w ot y p e so ft e x t u r i n gs e a l sh a v ee x c e l l e n t s e a l i n ga n dl u b r i c a t i n gp r o p e r t y s p e c i f i c a l l y ，s e a l 谢t hm i c r op o r e sh a sc o m p a r a t i v e l y b e t t e rs e a l i n ga n dl u b r i c a t i n gp r o p e r t yt h a nt h en o n - t e x t u r i n go n ei ns o m ec o n d i t i o n s a n dt h es e a lw i t hm i c r op o r e sa n dm a c r op u m p i n gg r o o v e sp e r f o r m e db e t t e rp r o p e r t yi n a l lt e s tc o n d i t i o n s o nt h eo t h e rh a n d ，h o w e v e r ，t h em i c r o p o r e st e x t u r i n gt y p eh a ss o m es h o r t c o m i n g s i tl e a k e dal o ti nl o w - l o a dc o n d i t i o nw h i l es h o w e dc o n s i d e r a b l ef n c t i o ni nh i 【g h - l o a da n d l o wr o t a t e ss p e e dc o n d i t i o n s t h es h o r t c o m i n g sd i d n to c c u rd u r i n gt h et e s to l ls e a lw i t h m i c r op o r e sa n dm a c r o p u m p i n gg r o o v e s d e t a i lr e a s o n sc o u l db ef o u n da f t e ra n a l y s i s ：f i r s t l y ，t h es e a l i n gb e h a v i o ri s i m p r o v e db e c a u s eo ft h eu p s t r e a me f f e c t a n di ti sr e a s o n a b l et h a tt h ed y n a m i ce f f e c to f p o r e st h ec a nh e l pt oi m p r o v ef r i c t i o nb e h a v i o r b o t ho fw h i c ha r eb e l o n gt o t h e c o n c l u s i o no ft h e o r yr e s e a r c h s e c o n d l y ，b e s i d e sp u m p i n ge f f e c t , t h eg r o o v e so fs e a l w i t hp o r e sa n dp u m p i n gg r o o v e sc a l lh o l dl i q u i d w h e nt h el i q u i dg o e si n t o i n t e r f a c e s t h ef a c e sw e r el u b r i c a t e da n dt h ea x i a lv i b r a t i o nw a sa b s o r b e d t h i r d l y ， f r i c t i o nc o e f f i c i e n to fs e a lw i t hp o r e sm a yi n c r e a s eu n d e rh i 【g hl o a da n da x i a lv i b r a t i o n c o n d i t i o n sb e c a u s eo ft h ec u ta n dc r a s hb e t w e e np o r e sa n da s p e r i t yp e a k s k e y w o r d s ：m e c h a n i c a ls e a l ，l a s e rs u r f a c et e x t u r e d ，s e a l i n gb e h a v e i o r , f r i c t i o n b e h a v e i o r , b e h a v i o rt e s t 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名： ，匆匆难i o 指导教师签 2 o l o 年乡月凡日易。d 年石月，d 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： f 匆匆谚咎， 日期：加如年多月0 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 机械密封的定义与结构 第一章绪论 密封是防止流体或固体微粒从相邻结合面间泄漏以及防止外界杂质如灰尘与 水分等侵入机器设备内部的零部件或措施。密封可分为静密封和动密封两大类。 静密封主要有垫密封、密封胶密封和直接接触密封三大类。动密封可以分为旋转 密封和往复密封两种基本类型。 机械密封( m e c h a n i c a ls e a l s ) 是一种轴向端面密封，又称端面密封( m e c h a n i c a l f a c es e a l s ) ，属于动密封的旋转密封。按国家有关标准定义为：由至少一对垂直于 旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构弹力( 或磁力) 的作用以及辅助密封的配合 下保持贴合并相对滑动而构成的防止流体泄漏的装置，是流体机械旋转轴密封最 为主要的类型。机械密封的结构多种多样，最典型的结构如图1 1 所示。 12 图1 1 典型机械密封示意图 1 弹簧座2 弹簧3 推环4 动环密封圈5 动环6 静环 7 静环密封圈8 动环紧定螺钉9 防转销 江苏大学硕士学位论文 1 1 2 提高机械密封性能的方法 机械密封的性能主要表现在其密封性能和端面摩擦性能。传统机械密封的动 环和静环在弹簧与介质压力的作用下直接接触，端面间无润滑剂，因此它的承载 能力低、摩擦状况严重，不能同时兼顾密封性能和摩擦性能。为解决机械密封的 摩擦问题与泄漏问题，人们提出了“零泄漏与“非接触”的概念。在向实现密 封环的“零泄漏”与“非接触 方向努力过程中，应用表面造型技术的方法已取 得显著效果。但表面造型技术的出现却是在概念提出之前，那是2 0 世纪6 0 年代 人们在密封环表面加工微细形貌以改善摩擦副表面间的润滑状况。如1 9 6 1 年， m a y e r 1 】通过研究发现端面具有径向槽的机械密封的磨损量和摩擦功率损失非常 小。1 9 6 9 年，m a v e r 【2 】又提出了端面具有弧形槽的机械密封。 但最初，人们研究最多的、应用最广却是干气密封而非上游泵送机械密封。 干气密封原理是在动环与静环相对运动时，将气体引入槽内，利用其动压效应产 生的开启力使动静环表面分离。表面造型技术开始应用于液体密封，是1 9 8 1 年形 成的上游泵送机械密封技术【3 】。与干气密封将气体引入端面相反，上游泵送机械密 封是利用密封面的泵送槽的泵送效应将下游少量泄露流体泵送回上游，以实现密 封介质的零泄露或零逸出。同时人们还发现，泵送槽也能够产生一定的动压力。 值得一提的是，1 9 9 4 年，以色列教授e t s i o n l 4 1 提出了环表面带有规则微观凹坑的机 械密封，并在随后至今的十多年中进行了研究，研究表明表面微观凹坑结构能产 生较高的液膜刚度和较大的开启力。国内众多机械密封研究人员也相继进行了研 究，发现表面带有规则微观凹坑的机械密封端面温升、摩擦扭矩和摩擦系数远低 于普通未造型机械密封的相应值。 1 1 3 表面槽腔结合造型机械密封的产生 上游泵送机械密封和微凹腔机械密封各有优点，但也有一定的缺陷：泵送槽 具有泵送效应同时具有一定的动压效应，但是上游泵送机械密封的动压效应整体 较弱；而表面凹腔造型机械密封的液膜具有的刚度要比上游泵送机械密封的大， 但它不存在阻止泄漏的泵送效应，泄漏问题没有得到解决，并且，随着端面载荷 的增大，两环接触越紧密，微观凹腔结构增加表面粗糙度的表现就会逐渐突出。 虽然有不少学者提出并研究了上游泵送机械密封结合干气密封原理而设计的“双 2 江苏大学硕士学位论文 列螺旋槽型机械密封 如“人字型，但是该类型机械密封也存在一定的不足： 密封环径向环宽必须很大( 通常需1 0 m m 以上) ，环宽越大则环端面的平面度越难保 证、加工出来的槽和堰边缘与另一环表面切削的概率大大提高，增大了磨损，从 而与我们减少摩擦、延长寿命的初衷有违。也有提出正反方向槽型置于同一列的 机械密封，如“y 字型机械密封，但该类型槽为避免连通因而占有周向宽度大， 一个环加工的槽数减少了将近一半，因此它增强了动压效应却牺牲了泵送效应。 本课题研究的正是在综合了上游泵送机械密封和表面微凹腔机械密封的优缺点的 基础上提出的“槽腔结合表面造型的零泄漏非接触式机械密封 ：在密封环端面设 置宏观上游泵送槽，同时在密封坝与密封堰区域设置微观凹腔。 1 1 4 性能试验的重要性 目前，表面造型机械密封的研究大多集中于理论之上，而且研究分析地相当 深入、透彻、细致，可是实际应用中人们发现与理论研究的结论数据结论存在着 很大的出入。这是因为：首先，实际应用中存在着许多与理论前提条件不一致的 环境；其次，理论研究往往以某一因素的变化为假设来计算其它因素随之的变化， 而忽略了各因素之间的密切的耦合关系。因此，大多数的机械密封参数的最优设 计仍要依靠理论结合丰富的经验积累和试验统计分析进行。可以说，机械密封的 性能试验是检验理论研究是否准确、判断能否应用于工业生产的必经之路。 1 2 本课题研究的主要内容 上游泵送机械密封和表面微观凹腔机械密封分别极大地提高了机械密封的密 封性能和端面摩擦副的润滑状况，“槽腔结合表面造型的零泄漏非接触式机械密 封 结合了上游泵送机械密封和表面微观凹腔机械密封各方优点，避免了复杂形 貌设计的动压型上游泵送机械密封径向宽度大的问题，辅之于激光表面造型技术 ( l s l ) ：“单脉冲同点间隔多次”，本课题具有创新性、科学性。本课题从计算流体 动力学的角度对槽腔结合机械密封进行理论分析和数值模拟，通过试验的方法研 究槽腔结合机械密封相对于普通机械密封和纯凹腔机械密封的性能优势、三者的 性能变化趋势、以及实际应用与理论分析的差别。有关“槽腔结合表面造型的零 泄漏非接触式机械密封”的理论部分本课题组符永宏、陈汇龙等已多有研究并发 3 江苏大学硕士学位论文 表了不少相关论文，本论文将着重集中阐述关于性能试验的研究。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 表面造型的类型 为提高密封环端面的摩擦性能，2 0 世纪6 0 年代，人们开始在密封环表面加工 微细形貌以改善摩擦副表面间的润滑状况。1 9 6 1 年，m a y e r 通过研究发现端面具有 径向槽的机械密封拥有较普通机械密封好的摩擦性能，如图1 2 。1 9 6 9 年，m a y e r 又提出了端面具有弧形槽的机械密封，该弧形槽能吸入液体，具有良好的冷却、 润滑作用，如图1 2 佃) 。7 0 年代后螺旋槽、v 形槽和袋式槽等表面造型的结构相继 应用在干气密封上，如图1 2 ( c ) 、( d ) 、( c ) 。1 9 8 1 年，j s e d y 受螺旋槽干气密封密封 技术成功应用的启发，提出了上游泵送机械密封的概念，利用密封面开槽的表面 造型技术产生流体动压的剪切流对抗形成泄漏的压差流，以达到零泄漏的目的， 从而开始形成了液体上游泵送机械密封技术，如图1 2 m 。上游泵送机械密封受到 广泛关注。1 9 8 3 年，e t s i o n 明确提出了零泄漏非接触机械密封的概念，打破了非接 触式机械密封不可能达到零泄漏的传统旧概念，并发明了圆叶槽机械密封。 为了能满足机械密封双向旋转，研究人员又提出了多种双向槽型的表面造型 方案，如双螺旋槽、t 形槽、u 形槽等，如图1 2 q ) 、 、( i ) 。 为了使机械密封兼具动压效应与泵送效应，从而达到零泄漏非接触，人们开 始将干气密封所用槽的槽形延伸方向与上游泵送机械密封所用槽的槽形延伸方向 结合，形成了“双列螺旋槽型”的动压式上游泵送机械密封，并提出了多种表面 造型方案，如：1 9 9 3 年，t o m 场研制的人字形槽和y 字型槽的机械密封【5 】，如图 1 2 0 ) 、( k ) 。1 9 9 2 年i t , 明研制出了“八”字形槽的机械密封【6 】，并且引起国内多人 重视与研究，如图( 1 ) 。 目前常用的槽形螺旋线有圆弧形螺旋线、阿基米德螺旋线、对数螺旋线。其 中对数螺旋线的螺旋角恒定不变，即以螺旋线的起点为圆心作任意圆，在螺旋线 与圆的交点处两线的切线的夹角大小不变，有助于研究的标准化与比较、方便计 算，因此研究人员大多选择对数螺旋线。 1 9 9 4 年，以色列教授e t s i o n 提出了环表面带有规则微观凹坑的机械密封，当两 环作相对转动时，由于相对速度，流体粘度，液膜厚度变化等因素，会在凹坑及 4 江苏大学硕士学位论文 其周围区域产生流体动压力，提供了使两环分离的承载力，使两环形成非接触。 双螺旋槽机械密封 一 一 饿 囝 0 ) 人字形槽机械密封 l y 字形槽机械密封 图1 2 各种表面造型设计 1 3 2 表面造型技术的研究现状 、 ( 1 ) 八字形槽机械密封 密封 无论是槽还是凹腔，几何参数对机械密封的性能影响都很大，如：槽的槽深、 槽数、槽台比、螺旋角、槽的均匀分布，凹腔的深径比、凹腔密度等都直接关系 到开启力、泄漏量、端面温升、摩擦系数等密封装置的主要性能参数，从而影响 5 江苏大学硕士学位论文 其使用性能和寿命，因此表面造型技术要求加工精度较高。作为表面微细加工技 术的根本，表面微细加工手段的发展与应用决定了表面造型技术的成功与否，是 实现微观形貌几何参数可控性的关键。目前表面造型常用的加工方法有：机加工 法、电火花加工( 电蚀刻) 、光刻法( 化学腐蚀) 、超声波加工法、电镀法、喷砂法、 激光加工法等同。 机加工法是通过机械方法去除表面材料的方法，该方法加工精度不高、加工 产生变形较大。 电火花加工是利用放电时火花通过瞬间产生的大量热，达到很高的温度，使 材料局部熔化、气化而被蚀刻掉。随着现代控制理论的不断发展，电火花加工技 术会有更进一步的发展，但还是存在着加工效率低、成本高的缺点。 光刻法是将精密化学照相、图形复印与选择性刻蚀技术相结合的一门精密加 工技术。适用于材料是金属的密封环，但其工艺过程复杂，精度控制要求高，且 由于s i c 陶瓷环耐强酸碱腐蚀，因此要寻找耐得住浸蚀液长时间腐蚀的胶膜材料相 当困难。 超声波加工是利用工具作超声频振动，通过磨料悬浮液中的磨料去除工件材 料。是目前应用较普遍的一种加工方法，特别是对那些不导电或电阻率高而不能 采用电加工的工程陶瓷是一种有效的加工方法。但超声波加工过程中工具质量的 变化，造成共振频率的游移，而使加工速度和加工质量受到影响而且加工工程陶 瓷材料时，工具磨损严重，加工效率不高。 电镀法是将密封环端面动压槽以外的部位镀上一层硬质材料从而制成动压 槽的图案。条件是首先槽要浅，其次被镀端面必须是能够电镀的材料，而且镀层 要致密，和被镀面结合强度要足够高。同时电镀过程中被镀件悬挂要正确，否则 不同部位的镀层厚度误差将加大，造成槽深的不均匀，这样也破坏了密封环两个 端面的极高的平行度。 喷砂法属于磨料喷射加工的范围，是利用磨料( 喷砂法中所用磨料有碳化硅、 白云石等) 与高压空气( 或其它气体) 混合而成的高速束流，经喷嘴直接冲击工件表 面，依靠磨粒的冲刷、抛磨作用，来去除材料达到加工目的。这种加工方法工艺 较复杂，效率比较低。 激光加工是指利用高能量密度激光束，对材料表面进行去除的一种特殊加工 6 江苏大学硕士学位论文 方法。激光加工技术有以下独特的优点 s l ：( 1 ) 】m - r _ 精度高；( 2 ) 加工材料范围广泛； ( 3 ) 加工性能好；( 4 ) 加工速度快，效率高；( 5 ) 无污染。尤其是在凹腔的加工上，激 光表面微造型技术以其制造加工微凹腔速度快，对环境无污染以及的对微凹腔的 形状和尺寸有优良的控制能力。是表面微造型领域颇为成功的造型方法。 本课题组利用二极管泵浦n d iy a g 激光加工系统在硬质合金和s i c 密封环上 进行激光表面造型跨尺度加工工艺研究。所谓跨尺度就是跨越微观与宏观的尺度。 1 3 3 表面造型机械密封性能研究的现状、研究机构 有关槽的方面。1 9 6 8 年，h s c h e n g 等学者对于介质为可压缩流体的端面密封 的压力形成和静态稳定性进行了讨论，阐述了端面间所存在的流体动压效应【9 】。 1 9 7 0 年，g a r d n e r 将螺旋槽近似解析理论直接用于密封研究，对于弯曲且开有螺旋 槽端面机械密封的性能进行了研列圳。1 9 7 2 年，s m a l l e y 对平面、球面和柱面槽型 的气体端面密封进行研究分析，用直角坐标系的窄槽理论和有限差分法来求解 r e y n o l d s 方程，得到承载力、功率消耗、泄漏量和刚度系数【1 1 】。1 9 7 2 年，s n e c k & m c g o v e m 采用一种基于窄密封面的槽线建立r e y n o l d s 方程的解析方法，得到承载 力、功率消耗、泄露量和刚度系数等密封性能参数。但由于该方法的不严谨和不 方便，未能获得广泛应用f 1 2 l 。1 9 7 8 年，g a b r i e l 对螺旋槽非接触机械密封的基本问 题进行了较全面的论述，该文献作为重要著作于1 9 9 4 年重新发表。在此基础上 s h a p i r o 和w a l o w i t 等在研究高速液氧透平泵的螺旋槽气体端面机械密封中考虑了 惯性力的影响【1 3 】。由于该方法的简洁实用而获得广泛的应用，一直沿用至今。2 0 0 1 年，b r a d 等对螺旋槽气体端面密封进行了动态分析，并推导了适用的数学公式【1 4 1 。 有关腔的方面。e t s i o n 从上世纪8 0 年代就开始研究人工微细形貌即微造型对机 械零部件润滑摩擦性能的影响。1 9 9 4 年，他提出了环表面带有规则微观凹坑的机 械密封，此后他从理论和实验角度研究了凹坑形貌对活塞环与汽缸摩擦副、机械 密封面的摩擦性能的影响瞰- 2 2 。2 0 0 3 年，f e n s k e 等人；通过实验得出表面激光微细 造型可以大大减小钢密封件的摩擦系数，特别是在边界润滑或是混合润滑的情况 下，激光微细造型可以扩大动压润滑在低速高载下的接触参数幽。天津工业大学 激光应用研究所的林子光等【冽，通过台架试验发现激光微精处理后的试件表面轮 廓有明显的凹坑形貌，赋予了工件优越的支承面并兼备众多的“微油池 ，具有 较高的抗擦伤能力。x i a o l e iw a n g 2 5 】1 2 6 1 等人采用s i c 密封环表面刻蚀，可以提高表 7 江苏大学硕士学位论文 面抗粘着性能，当微孔的直径为1 5 0 1 u n ，深度为1 3 1 4 1 a m 之间时，它的承载能力比 光滑表面提高2 倍以上，并通过实验获得最大承载能力的一组微孔参数。2 0 0 4 年， 于新剞2 7 1 1 2 s l 对端面开全孔的微孔端面机械密封性能进行研究，试验表明：转速、 微孔深度合微孔密度对摩擦扭矩和端面温升有很大的影响；对于己定的微孔直径， 优化微孔深度合微孔密度值，可使摩擦扭矩和端面温升最小。2 0 0 6 年，周剑峰f 冽 对机械密封中的热流体动力学效应进行了深入的研究，他分别进行了端面间液膜 特性的解析法研究以及液膜特性的研究。 目前有不少专门从事研究、生产表面造型机械密封的机构和公司。国际上的 如欧洲密封协会( e s a ) 、英国流体力学组织m t g ) 、美国流体密封协会( f s a ) 、德 国r w t ha a c h e n 大学、德i 雪e r l a n g e n n u r e m b e r g 大学、美国f l o w s e r v e 公司、英国j o h n c r a n e 公司、德国b u r g m a n 公司、德m g e h r i n g 公司、日本的皮拉公司等。国内的有 北京石油化工学院、杭州电子工业学院、河北科技大学、合肥工业大学、华东理 工大学、华中科技大学、江苏大学、昆明理工大学、南京工业大学、南京化工职 业技术学院、南京理工大学、清华大学、上海交通大学、四川大学、西北工业大 学、西华大学、中国石油大学等。 1 4 课题的来源 本课题来源于国家自然科学基金重点项目国家自然科学基金项目( 5 0 4 7 5 1 2 2 ) ： 规则微观几何形貌表面的设计与制造机理研究。镇江市科技攻关项目 ( g y 2 0 0 5 0 1 8 ) ：零泄漏非接触式高性能机械密封的研制。江苏省高校自然科学研 究计划重点项目( 0 3 k j a 4 6 0 0 2 0 ) ：基于摩擦学理论的激光表面微观造型改性机理 研究。江苏省高技术重大项目( b g 2 0 0 7 0 2 3 ) ：零泄漏非接触式高性能机械密封及 其跨尺度激光造型加工技术的研究。 1 5 研究的目的和意义 随着人们对石油、石化工业向高污染、高能耗、低效益付出的代价认识越来 越清楚，实现机械密封的零泄漏、无污染、低磨损、长寿命、低成本已是势在必 行。而石油、石化工业中工艺流体大多具有易燃、易爆、剧毒、污染严重、高速、 高压、高温等特点，普通的接触式机械密封是难以达到上述要求。此外，为了降 8 江苏大学硕士学位论文 低维护频率、延长维护周期，中国许多行业要求机械密封的工作寿命到2 年，美 国石油协会还要求机械密封的设计和选用标准延长到3 年。因此，发展机械密封 的新理论、新技术以及开发出满足用户需求的高参数、高性能机械密封新产品势 在必行。本课题的研究目的，是通过流体动压润滑理论进行分析模拟，得出机械 密封工况参数( 如转速、介质压力) 对密封环的密封与润滑性能的影响规律，并通过 试验，一方面验证零泄漏非接触式机械密封的优越性，另一方面探索表面造型机 械密封在实际中的应用与理论研究的差异。通过对本课题的研究，在技术上为表 面造型机械密封这一最新产品的设计提供经验基础；在战略上为推动表面造型机 械密封领域的应用与发展、研制出高性能的新型零泄漏非接触式机械密封贡献一 份力，以期提高我国机械密封的性能品质，增强产品的国际竞争力。 本文提出的机械密封环端面槽腔结合的几何形貌的优化设计，进一步解决了 机械密封的泄漏和摩擦磨损问题，实现机械密封的零泄漏和非接触。它特别适用 于普通机械密封难以适用的苛刻的工况条件下以及核电、石油、化工等特殊行业。 本课题的性能试验，有助于推动表面造型机械密封性能研究的发展，使得该技术 能尽快应用到生产实践中去，制造出新一代高品质的机械密封环，提高我国机械 密封的性能。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章槽腔结合表面造型机械密封的模型、数值模拟与优化 设计 2 1 槽腔结合表面造型机械密封的模型 2 1 1 槽腔结合表面造型机械密封的几何模型 图2 1 槽腔结合表面造型机械密封的几何模型 槽腔结合表面造型机械密封的几何模型如图2 1 所示，它由宏观的螺旋槽和 遍布整个环面的微观凹腔构成。其主要参数有： 1 、环端面参数： 内径n 、外径r o 。 2 、螺旋槽参数： 槽外径& 、螺旋角瓠槽深玩、槽堰宽度比扑槽坝宽度比卢和槽数g 。如 图2 1 ：螺旋槽的型线近似为对数螺旋槽，在极坐标下用如下方程描述： 厂= 驴口劬口( 2 1 ) 式中：n 动环的内半径； 卜螺旋线的展开角； 么螺旋线内径侧的螺旋角( 即螺旋线切线与周向切线的夹角) 。 螺旋角q ：螺旋线的起点为圆心作任意圆，在螺旋线与圆的交点处两线的切线 的夹角。 槽堰宽度比) ，：槽堰宽度比是指同一圆周在槽区的弧长与在堰区弧长的比值， 它与槽数共同确定该圆周螺旋槽宽度的大小。 江苏大学硕士学位论文 槽坝宽度比声：内径开槽的声计算公式为 卢盟 ( 2 2 ) r o 一 3 、凹腔参数： 半径为0 ，假想正方形边长2 ，凹腔中心深度，凹腔密度。 roo 一 fl 时为非平衡型机械密封，当一个机械密封的平衡系数k i 时为平衡型机械密 封。平衡系数k 1 还意味着介质压力变化引起端面比压的变化速度大于或等于介 质压力本身的变化速度；而k ( 1 时则意味着介质压力变化引起端面比压的变化速 度小于介质压力本身的变化速度。它是密封的重要参数，对泄漏量和使用寿命有 很大影响，因此平衡系数意义很大。 3 2 3 膜压系数 介质压力传递到密封环端面后并不是平均地分布于其内，而是逐渐递减，为 方便理解，通常液膜压力仍用介质压力来表示： p m = 2a 或旯= 垃0 4 ) p t 式中：“液膜压力； 允膜压系数； a 介质压力。 江苏大学硕士学位论文 这是由于端面间隙内的膜压系数远小于1 ( - - 般为0 3 0 7 5 ) 【3 7 l ，即：介质压力传 弹簧比压就是密封瑞面上单位面积所受的弹簧力，单位是n m 2 ( 或m p a ) 。计 胪南 ， 4 、 叫 f f = 秘一砰) a ( 3 - 7 ) 胁= 拿碘+ 筠一嘞 端面比载荷介质压力贡献的部分为k p t ，计算时通常容易出错。 江苏大学硕士学位论文 f 厂介质压力( 形成的闭合力) ，局2 a 三0 ；一d ? ) ： 卜液膜静压力( 形成的开启力) ，如= 砌三q ；一d 2 ) ； f 厂液膜动压力( 形成的开启力) ，f d = 肌；q ；一砰) ； 胪南 。 = 墨+ 型型型 弛一砰) 弛一砰)弘一d e ) 2 一砰) 。 其实 p b = 鼽+ p - p 旷p 矗 就平衡系数k ，而= 五p l 。 因此胁也可以表示为： p b = p t + k p f - 元p l p d 3 2 7 摩擦状态 0 一i i ) ( 3 1 2 ) 干摩擦：表面名义上没有润滑剂存在时的摩擦。 流体摩擦：表面完全被流体隔离时的摩擦。 边界摩擦：表面有一层极薄的润滑膜存在时的摩擦，边界膜一般约为o o l t m a 3 1 江苏大学硕士学位论文 或更薄。 混合摩擦：过渡状态的摩擦，如半干摩擦( 边界摩擦和干摩擦同时存在) 和半流 体摩擦( 流体摩擦和边界摩擦同时存在) 。 密切接触的机械密封端面表面存在一层很薄的边界膜，在弹性元件弹力和密 封流体压力形成的端面闭合力的作用下，表面微凸体的尖峰接触以承受载荷，同 时伴随着弹、塑性变形。当闭合力较大时，微凸体尖峰处的表面膜将破裂而导致 固体的直接接触。当表面间隙较小时，微凸体之间形成的微观空腔，微观空腔之 间基本上是不连续的，因而即使空腔内充满了液体但压力很小，密封闭合力主要 由边界膜和固体直接接触来承受，此时对应于边界摩擦状态；随着密封间隙的增 加，微观空腔将部分的连接起来，产生较大的流体静压力和流体动压力，密封闭 合力由流体压力、边界膜和固体接触三部分承受，此时对应于混合摩擦状态；当 密封间隙进一步增大到一定值时，所有微观空腔连成一片，密封缝隙中的流体静 压力和流体动压力足以承受密封闭合力，表面微凸体不再接触，此时对应两表面 于流体摩擦状态。 3 3 本章小结 本章首先对机械密封环的动环进行了受力分析，介绍了各力的计算方法。然 后对试验或实际应用中常的一些基本概念进行了解释，将理论与实际相联系，有 利于对试验结果的理解。 3 2 江苏大学硕士学位论文 4 1 实验材料 第四章机械密封性能试验设计 本实验选用的三套动环型号为1 0 8 u 5 0 ，静环根据试验台和动环情况自制。动 环材料为s i c ，静环材料为石墨。端面造型设置在动环，端面尺寸为：内径r i = 5 1 7 m m ，外径r o = 6 5 2 m m 。对三套机械密封试样进行如下编号：“试样1 ”为端 面纯凹腔机械密封；“试样2 ”为端面槽腔结合机械密封；“试样3 为普通机械密 封。 试样1 ( 纯腔) 和试样2 ( 槽腔) 的端面造型结构参数为： 试样1 ：凹腔直径4 0 1 x m ，凹腔深度8 1 t m ，凹腔密度0 1 3 ，凹腔分布于整个端 面( 面积占有率1 0 0 ) 。 试样2 ：凹腔直径4 0 p m ，凹腔深度8 r t m ，凹腔密度0 1 3 。泵送槽采用对数螺 旋线，内径开槽，螺旋角a = 1 7 8 0 ，槽堰宽度比7 - - 1 ：1 ，槽径比b = o 7 ，槽数 - - 1 8 ，槽深h = 6 1 m a 。泵送槽以外的堰、坝均布置凹腔。则泵送槽的面积占有率为 3 4 、布满凹腔的堰坝的面积占有率为6 6 。 表4 1 试验材料 表4 2 试验材料编号 4 2 试样的激光加工与后处理 由于槽的螺旋角、槽深、凹腔的深度与直径对机械密封的性能影响很大，因 此选择一种精密的加工方式尤其重要。而激光加工则成为一种理想手段。试验采 用自主研制的二极管泵浦n d ：y a g 激光微加工系统。激光器光束模式为t e m o o ， 江苏大学硕士学位论文 腔内带有望远镜扩束装置，有较强聚焦能力。腔外可装倍频晶体，输出波长有10 6 4 m 和5 3 2r i m 两种。采用声光调q 控制产生脉冲激光，调q 重复频率1 巧0l d - i z 。 光束质量系数m 2 1