（机械工程专业论文）新型机械密封实验装置研发.pdf

r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn e w - - t y p et e s t - - r i g f o rm e c h a n i c a ls e a l at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：g a oh o n g y a n s u p e r v i s o r ：p r o f h a om u m i n g c o l l e g eo fm e c h a n i c a l e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成 果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学 ( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究 所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：i 螫湛杰 同期：。j 1 年t t , j 弓 同 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保 存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 函辖嘉 同期： 加1 1 年v 月7 日 i 一 一 指导教师签名：毒避b m日期：听f 年p 月园日 摘要 机械密封实验装置主要用于对机械密封以及其他种类的旋转式动密封进行性能实验、 密封产品考核实验和模拟现场工况的密封性能实验。本文是针对机械密封实验装置研发项 目进行的研究。研发项目要求具有较高的实验转速，结构简单，能够进行新型非接触式机 械密封与普通机械密封的液体密封性能实验。 本文应用3 d 设计软件s o l i d w o r k s 进行实验装置设计，比较详细地进行了各个组件的 设计和选型，得到了符合研发项目要求的设计结果。除了整机的研发，还对一些重要部件 进行了研究。传动轴作为一个重要零件，影响着实验装置的测试精度。对传动轴的设计采 用了两种方法：首先是公式计算法，根据强度理论计算出了最小轴径；然后运用软件 s i m u l a t i o n 进行有限元分析，找到了在实验过程中受力状态下的变形参数，进行了优化设 计和验证。 针对非接触式机械密封的特点，进行了实验设计。与普通机械密封不同，非接触式机 械密封的端面参数决定了密封性能。因此，在实验设计之前，进行了非接触式机械密封参 数计算，并采用h o ws i m u l a t i o n 进行了两种非接触式液膜机械密封的端面流场分析。详细 介绍了分析过程，找到了端面流场的压力、温度等参数的分布规律，对双列交叉动压槽非 接触式液膜机械密封的优点进行了验证。根据分析结果，设计了对比实验。 关键词：机械密封实验装置；设计研发；有限元分析；实验设计；流场分析 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fn e w - - t y p et e s t - r i gf o rm e c h a n i c a ls e a l g a oh o n g y a n ( c h e m i c a lp r o c e s se q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rh a om u m i n g a b s t r a c t m e c h a n i c a ls e a lt e s t - r i gi sm a i n l yu s e df o rp e r f o r m a n c et e s t ，s e a l i n gp r o d u c t sc h e c k t e s to rs e a lp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n to fs i m u l a t i n gf i e l dw o r k i n gc o n d i t i o nf o rm e c h a n i c a l s e a l sa n do t h e rr o t a t i n gd y n a m i cs e a l s t h ep a p e ri ss t u d yo fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t p r o j e c ta b o u tm e c h a n i c a ls e a le x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h er &d p r o j e c td e m a n d st h a tt h e t e s t - r i gm u s th a v ef a s tr o t a t i n gs p e e d ，s i m p l em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，t h ee x p e d m e n ta b i l i t yo f b o t hg e n e r a lm e c h a n i c a la n dn o n - c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a l s i nt h i sp a p e r ，s o l i d w o r k s ，o n eo f3 dd e s i g ns o f t w a l e s ，i su s e df o rd e s i g no fe x p e r i m e n t a l e q u i p m e n t d e s i g no rt y p es e l e c t i o no fi m p o r t a n tc o m p o n e n t sa l ei n t r o d u c e di nd e t a i l a tl a s t ， ad e s i g nr e s u l ti sc o m p l e t e dw h i c hc o n f o r m st h ed e m a n d d r i v i n gs h a f ti so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tp a r t si nt h ep l a t f o r m ，w h i c ha f f e c tt h ee x p e r i m e n t a lp r e c i s i o n t h ed e s i g np r o c e s s o fd r i v i n gs h a f ti sa sf o l l o w s ：s t r e n g t hd e s i g na tf i r s t ，a n ds i m u l m i o na n a l y s i sf o rs t r u c t u r e o p t i m i z a t i o na tl a s t e x p e r i m e n tp r o c e s sd e s i g na b o u tn o n - c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a li sa d d e di n d i f f e r e n t f r o mg e n e r a lm e c h a n i c a ls e a l ，e n df a c ep a r a m e t e r so ft h en o n - c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a l d e t e r m i n et h es e a lp e r f o r m a n c e s ot h a t ，an o n c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a lp a r a m e t e r c a l c u l a t i o ni su s e dt od e t e r m i n et h ep a r a m e t e r so fs u b j e c t sb e f o r et h ed e s i g n ，a n ds o f t w a r e 。f l o ws i m u l a t i o n i su s e dt oa n a l y z et h ef l o wf i e l do fe n df a c eb e t w e e nr o t a t i n ga n ds t a t i c r i n g sf o rt w on o n - c o n t a c t i n gm e c h a n i c a ls e a l s t h ed i s t r i b u t i o nd i s c i p l i n eo fp r e s s u r ea n d t e m p e r a t u r ef i e l di so b t a i n e d ，a n dt h ea d v a n t a g e so fd o u b l er o w sc r o s s e dd y n a m i cg r o o v e m e c h a n i c a ls e a la r ev e r i f i e d ，b e s i d e s ，ac o n t r a s te x p e r i m e n ti sd e s i g n e d n 一 k e yw o r d s ：m e c h a n i c a ls e a lt e s t - r i g ；r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ：e x p e r i m e n td e s i g n ；f l o w f i e l da n a l y s i s 第一章 1 1 1 2 1 3 第二章 2 1 2 2 2 - 3 第三章 目录 绪 仑1 课题来源和研究意义1 国内外机械密封实验装置的研究现状2 课题研究目标、内容、方法及技术路线3 1 3 1 研究目标3 1 3 2 研究内容3 1 3 3 课题拟采取的研究方法、技术路线4 机械密封及其实验台研究现状6 机械密封研究现状6 2 1 1 非接触式机械密封研究进展6 2 1 2 流体动压型机械密封6 2 1 3 上游泵送机械密封设计主要程序7 机械密封实验技术进展9 2 2 1 测量技术一9 2 2 2 机械密封实验台介绍1 0 2 2 3 水介质机械密封实验步骤。1 3 s o u d w o r k s 软件介绍1 4 2 3 1 机械c a d 1 4 2 3 2 设计验证1 5 2 3 3s i m u l a t i o n 与其他有限元分析软件比较1 5 机械密封实验装置设计1 7 3 1 装置原理_ 一1 7 3 2 总体方案。1 7 3 2 1设计要求1 7 3 2 2 设计方案。1 7 3 3 密封腔结构设计和功能介绍1 8 3 3 1 设计要求。1 8 3 3 1 设计计算1 9 3 3 2 功能介绍2 0 3 4 测试装置设计2 1 3 4 1 测试项目2 1 3 4 2 传感器选择2 1 3 4 3 安装方法2 2 3 4 4 使用方法2 3 3 5 动力及传动装置设计2 3 3 5 1 电机选型2 3 3 5 2 转矩转速仪选型2 5 3 5 3 传动装置设计2 5 3 6 液压装置介绍。2 5 3 6 1 液压泵选型2 6 3 6 2 管径计算2 6 3 6 3 阀门设计。2 7 3 7 测试控制装置2 7 3 8 支撑装置介绍2 7 3 9 本章小结2 8 第四章非接触式机械密封实验设计3 0 4 1零泄漏上游泵送机械密封计算3 0 4 1 1已知条件3 0 4 1 2 设定参数3 1 4 1 3 计算步骤3 1 4 2 端面流场分析3 3 4 2 1 端面流场分析概念3 3 4 2 2 端面流场分析步骤3 4 4 3 双列交叉动压槽非接触式液膜机械密封流场对比分析4 1 4 4 实验及传感器设计4 3 4 4 1实验目标4 3 4 4 2 传感器设计4 3 4 4 3 实验步骤4 4 4 5 本章小结。4 5 第五章传动轴有限元分析及优化设计。4 6 5 1传动轴初步计算4 6 5 1 1 材料选择4 6 5 1 2 最小轴径计算。4 6 5 2 传动轴初步设计及有限元分析4 7 5 2 1 传动轴初步设计：。4 7 5 2 2 有限元分析。4 9 5 2 3 解决方案一5 2 5 3 本章小结5 3 结论。5 4 参考文献5 6 攻读工程硕士期间取得的学术成果5 8 致谢5 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第一章绪论 机械密封实验装置主要用于对机械密封以及其他种类的旋转式动密封进行研究开 发性能实验、密封产品考核实验和模拟现场工况的密封性能实验。它的应用范围较窄， 属于专用机械。对于机械密封实验装置的研发一方面要考虑机械装置的发展而采用新技 术，更主要的是伴随机械密封技术的发展提出的对实验要求的提高。对机械密封实验装 置的研发，需要对机械密封进行相应的研究。 1 1 课题来源和研究意义 机械密封的主要类型是接触式机械密封和非接触式机械密封。随着科技进步和工 业的发展，机械密封技术的发展方向是高参数、高性能和高水平；非接触式机械密封由 于密封面不存在接触摩擦，更好的适应了这一发展方向，对其应用和研究也越来越多。 西安石油大学的机械密封实验装置项目，针对非接触式机械密封测试提出了一些要求， 主要体现在： ( 1 ) 机械密封的性能参数提高( 转速、温度、压力等) ，对测试装置的耐压和散热等 要求相应提高； ( 2 ) 测量参数多，要求测量机械密封端面温度、端面膜厚、端面膜压、泄漏量、流 量、转矩、转速等； ( 3 ) 测量点增多，测量点主要集中在密封腔或者进出口管路上，位置的选择使得设 计和加工的要求提高； ( 4 ) 测量参数要能够实时观察，记录存储或者初步处理。 机械密封实验装置的发展经历了从简单到复杂，从单一功能到多功能，从手动控 制到启动化控制的过程。目前，机械密封实验装置发展成为一个多组件的系统，它的设 计不仅包括主体机械结构的设计，还包括液路、电控以及测试等系统的设计。测试系统 的设计需要建立在实验设计的基础上，针对非接触式机械密封的实验研究是测试系统设 计的依据。 第章绪论 过去，采用的设计方法主要是根据经验进行的设计，不仅要求设计人员有大量的 类似设计经验，而且设计周期长，难以在设计过程中进行更多的分析和改进。本文采用 s o u d w o r k s 这一款3 d 设计软件对实验台进行设计，尝试把3 d 设计和有限元分析引 入到机械密封实验台的设计中。3 d 绘图软件已经应用于很多工程领域，具有形象直观，。 修改方便等优点；而软件中基于有限元方法的分析模块，能够很好的对实验台进行包括 弹性力学分析、传热分析、流场分析等多种工程分析。这些工程分析的应用，为机械密 封实验台的功能完善和提高提供了一些可行的方法。 1 2国内外机械密封实验装置的研究现状 关于机械密封实验的研究，西方起步较早。现在，西方发达国家机械密封实验的 技术已经达到非常高的水平，并且已经形成了比较完善的试验体系【1 1 。 美国的i t z h a kg r e e n 教授【2 】进行了进行密封端面的研究，将电涡流距离传感器应 用于其实验台，采集的动环端面画出动环相对于旋转轴心跳动信息，通过数据的处理 分析，研究机械密封工作时动环相对于轴心的运动状况。 针对机械密封另一种实验研究方案的是进行实时监控。意大利某公司【3 ，4 1 开发了一 台实时检测机械密封腔内温度和压力，定时测量密封端面的泄漏量的设备。通过这些数 据的监控，以及辅助系统的调节，使机械密封能够始终保持合适的工作状态。 图1 - 1 是国外某机械密封实验台的图片1 5 1 ，可以看到其实验台外部结构。 在我国，多所大学及研究所对机械密封测试技术的进行了深入研究，关于机械密 封相关实验参数的测量都有比较成熟的方法。机械密封实验的测量参数包括：转矩转速、 压力、温度、流量、泄漏量、功耗和磨损量等【6 j 。 在实验装置设计方面，东北大学的蔡晓君、浙江大学的李小吉、石油大学的任宝 洁等人先后进行了多种机械密封实验台的设计，并发表论文介绍了机械系统和软件系统 的设计。从一般机械密封到非接触式机械密封的测试，实验装置的设计不断优化，获得 了很大的进步f 1 7 ，踟。 一2 一 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 图1 - 1 国外某机械密封实验台 f i g l 1af o r e i g nm e c h a n i c a ls e a lt e s t - r i g 1 3 课题研究目标、内容、方法及技术路线 1 3 1 研究目标 设计机械密封实验装置的机械部分和测试部分，包括实验装置主体、油路系统和传 感器设计。使用s o l i d w o r k s 设计零部件，并且模拟装配和现场布置。通过有限元分 析优化传动轴机械结构，通过机械密封端面流场分析优化测试传感器的安装位置。在设 计阶段发现和解决实验台加工制造、安装调试和用户使用中可能存在的结构方面的问 题，达到功能完善、结构优化、方便操作、节约成本的目的。 1 3 2 研究内容 本文的研究内容主要是对新型机械密封实验装置的设计研发，图1 2 是设计流程图。 ( 1 ) 分析实验装置测试内容 根据要测试的参数，实验装置的性能要求等制定机械密封试验装置初步方案，做出 机械密封实验装置布局图。 ( 2 ) 实验装置设计和工程分析。根据初步方案，设计和建立各系统零件的3 d 模型， 按照实际效果进行模拟装配，模拟现场的场地情况进行布线和布管。根据3 d 模型，进 行有限元分析，做出改进设计并确定最终方案。 一3 一 图1 - 2 设计流程图 f i g l 2d e s i g nf l o wc h a r t ( 3 ) 非接触式机械密封实验设计 根据流体动压理论计算，设计非接触式机械密封，进行端面流场分析和实验设计， 根据实验要求设计传感装置。 1 3 3 课题拟采取的研究方法、技术路线 本课题以实现设计要求和采用较新技术，具有一定的先进性为目标。 机械密封实验装置的主要设计要求是：对机械密封以及其他种类的旋转式动密封进 行研究开发性能实验、密封产品考核实验和模拟现场工况的密封性能实验。 可以达到的实验参数如下： ( 1 ) 转速：5 0 0 - - - 8 0 0 0 r p m ，无级变速调节； 4 。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 ( 2 ) 密封实验介质：机械油或水； ( 3 ) 实验压力：小于2 0 m p a 。 本文主要从硬件性能的研究和设计进行分析和阐述。主体部分采用变频调速电机带 动密封实验主轴转动，可实现转速的无级调节。测功传感器输出转矩和转速的参数，安 装在端面和密封腔的压力传感器、热电偶、电涡流传感器等实现各测试参数的测量和输 出。图1 3 是实验装置主体部分的初步方案。 t 7 。 。|+ 一i 一 oo ! 曩劳 ；| 4 1 ”。jj t | ”# t 罐； 缉l l 多，t i彩獗豹缈 毅豫。搿，一，寥 i oo翳 罐 嚣，；霸觞潮l i 雹= 懋 鍪磊 i oo幽 坤 l a 乳么缘瘟磁虢， 磁 黝目 彩1 oo盔 ojl 、 1 23 4 图1 - 3 实验台主体部分 f i 9 1 - 3t h em a i np a r to ft h et e s t - r i g 1 电机2 转矩转速仪3 支撑装置4 密封腔及传感器， 采用s o l i d w o r k s2 0 1 0 这一款3 d 设计软件进行实验装置主体的设计，并采用内 置的r o u t i n g 插件进行管道和电气的设计和布置，采用s i m u l a t i o n 插件进行密封腔机 械结构的有限元分析。 由于采用了3 d 设计软件进行设计和模拟分析，实验装置的各项设计要求能够在设计 初期阶段就得到很好的体现，设计过程更加直观，便于分析可能出现的各种问题，可以 在设计中规划好安装和实验的现场。所以，最终完成的机械密封实验台可以达到满足设 计要求、结构优化、设置合理、方便操作等目标。 针对非接触式机械密封的实验设计中，通过对端面流场的分析找到传感器的最佳安 装位置，提出相应得实验方案。 5 一 第二章机械密封及其实验台研究现状 第二章机械密封及其实验台研究现状 2 1 机械密封研究现状 在流体动力机械中，机械密封被广泛应用，是机器、设备的重要组成部分。机械密 封的性能好坏往往能决定机器设备的安全性、可靠性和耐久性。密封失效，往往会造成 比较严重事故，造成企业和个人重大损失1 9 】o 目前应用最广的机械密封，按端面摩擦副是否接触可以分为：普通机械密封和非接 触式机械密封。普通机械密封由于端面直接接触，大多处于边界摩擦或混合摩擦状态， 寿命较短。非接触式机械密封在两密封环端面间形成了流体膜，其摩擦只是流体间的内 摩擦，从而大大改善了密封运行环境，提高了使用寿命。由于本文中主要的实验对象是 非接触式机械密封，因此有必要对此进行基本的介绍。 2 1 1 非接触式机械密封研究进展 机械密封实现端面非接触的理论基础是流体动压效应和流体静压效应，不同于普通 机械密封，是一种新型的密封形式。1 9 6 9 年，流体动压密封应用于工业实际f l o 】。1 9 7 4 年，螺旋槽气体润滑机械密封进入工业应用，最早用于炼油厂的透平膨胀机1 1 1 j 。1 9 8 5 年，螺旋槽气体润滑机械密封在参数优化的基础上获得了广泛的商业应用。 液体润滑螺旋槽机械密封的研究始于6 0 年代。1 9 9 0 年，利用“上游泵送 原理的螺 旋槽机械密封成功应用于工业实践【1 2 , 1 3 】。以端面开槽实现非接触的机械密封研究和应用 已有3 0 多年的历史1 1 4 l ，其中气相浅槽机械密封技术国外已较为成熟，形成了高新技术产 品。而用于液相开浅槽流体动压机械密封的研究与应用，与对应的气相密封相比进展缓 慢。 2 1 2 流体动压型机械密封 非接触式机械密封按密封原理可分为流体静压型、流体动压型和动静压组合型。本 文主要针对流体动压型机械密封进行的设计，因此对流体动压型机械密封的工作原理进 行介绍。 6 - 流体动压润滑机械密封的工作原理是当密封轴旋转时，润滑液体在密封端面产生流 体楔效应。流体进入动静环端面间隙中，形成端面流体膜，降低摩擦阻力的同时提供润 滑和冷却效果。采用的典型结构有：带偏心结构的密封环、带椭圆形密封圈结构以及在 端面开设动压槽。动压槽的开设需要考虑动压效应的最大化，并且防止杂质在槽内积存 或者进入密封间隙。泄漏液从外径进入内径时，槽开在动环上；相反时开在静环上。 上游泵送机械密封是一种全液膜非接触式机械密封，通过端面流体动压槽旋转时产 生的上游泵送效应，在密封端面由缓冲流体形成一层完整的液体膜，具有流体膜刚度大， 端面间隙大，温升小等优点。已开发出的上游泵送密封端面结构形式，主要是多源叶台 阶型、周向雷列台阶型、直叶型和类螺旋槽型等【1 5 】。其中类螺旋槽型以其流体流动效率 或摩擦功耗等性能最佳，获得了最为广泛的应用。 上游泵送密封分零泄漏上游泵送密封和零逸出上游泵送密封，既可以输送饱和蒸汽 压大于环境大气压的液体介质密封，也可以用于饱和蒸汽压更低的轻烃介质的密封。图 2 - 1 为普遍采用的螺旋槽上游泵送密封端面结构及工作原理图1 1 6 j 。 高压侧 静环 上游 q s 陡习f 澜 弋 i玩 动环 绋 图2 - 1 上游泵送密封端面结构及工作原理图 f i 9 2 - 1s t r u c t u r eo ft h eu p s t r e a mp u m p i n gs e a lf a c e sa n dw o r k i n gd i a g r a m 当动环以图示方向旋转时，在螺旋槽黏性流体动压效应的作用下，动静环端面间就 会产生流体膜，使动静环端面保持非接触。 2 1 3 上游泵送机械密封设计主要程序 7 第二章机械密封及其实验台研究现状 在上游泵送机械密封的设计中，计算步骤是通过已知的密封介质条件( 压力、温度、 粘度等) ，运行条件( 旋转速度，环境温度、大气压力) ，密封端面条件( 内、外半径) 等 参数来计算其他参数【1 7 1 。 设计中还有一些参数是通过已知的优化设计结果来确定的，如螺旋角，端面膜厚与 堰区膜厚比，螺旋槽间堰宽与槽宽比，槽径比等。 基本的计算公式包括： ( 1 ) 首先需要确定的螺旋槽半径名= 乞+ ( 1 一卢) ( 2 ) 然后计算端面槽数= 詈枞s i n 2 口 ( 3 ) 再根据计算结果进一步确定螺旋槽半径 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 4 ) 端面开启力是确定弹簧比压的依据，与槽形及几何尺寸相关 磊= 垒型竺鱼垦蔓丝毫毫亨幽( 名一c ) + 万p ，( 名一名) ( 2 4 ) ( 5 ) 平衡半径 吃= 【岛( r 0 2 - r i 2 ) + p r 1 2 一地巡幽( 髻 pl ( 6 ) 摩擦功耗及摩擦系数与端面温度以及功率消耗直接相关 譬r 警争+ 栅争 。：坐【丛等h 幽3 】 = 一_ - _ 。- - _ - - _ _ - - - _ - - - _ - _ ；- 一i3 h o 。1 + ) ， 。 。，0 ( 7 ) 端面摩擦系数为：厂2 菁 - 8 一 】肥( 2 5 ) ( 2 - 7 ) 9 3 似，日，) ，卜螺旋槽型函数之三； j i l d 端面流体膜厚； h 端面槽深与流体膜厚之和； 陪一端面膜厚与堰区膜厚之比，h = h o h ； p 广流体压力； r 螺旋线之螺旋角； ，广- 端面流体的动力粘度； 动环的旋转角速度； r 螺旋槽周向堰宽与，7 = b 2 b j 。 2 2 机械密封实验技术进展 根据实验条件，试验分为现场实验和模拟实验两大类【1 8 l 。由于对于机械密封需要进 行比较全面的测试多采用模拟实验，而对于寿命、磨损率等某些参数的测量有时会直接 进行现场实验。 密封的型式实验，需要模拟现场的一些条件，包括主要零部件的尺寸以及工况条件。 机械密封的被密封介质有很多种，对于比较危险的介质往往采用水或者油代替实验。 实验内容包括：测量泄漏孔的泄漏量；测量密封的功率消耗、流量及温升等；对于 非接触式机械密封需要测量膜压膜厚等端面参数等。 2 2 1 测量技术 机械密封的模拟实验是在室内进行的，以下将有关测量技术加以介绍。 ( 1 ) 转速的测量 9 第二章机械密封及其实验台研究现状 一般实验台用到的电机往往是调速电机，需要监控速度和转矩等数据。转矩转速测 量仪因为其集成度高，输出方便等优点，目前被大量采用。 ( 2 ) 压力的测量 为了了解泵与管网存在的特性关系，则需要测量密封腔的进出口压力，相应采用压 力表的精度应适当高些。现有压力测量仪器的精度一般为0 5 ，均可以满足以上测量 要求。 ( 3 ) 温度的测量 温度测量主要是为了了解密封的发热情况，对于一般机械密封而言，这个发热量不 会很大，需要较高的测量精度( 一般是o 1 ) 才能满足要求，推荐采用远传式热电阻温度 计和直读式玻璃棒温度计。 ( 4 ) 流量的测量 密封流体循环流量的大小对密封工作特性有较大影响，对流量的测量主要是通过流 量计在密封腔出口进行测量。常用的测量装置是转子流量计和涡轮式流量计等，分别用 于水介质和油介质的测量。 ( 5 ) 泄漏量的测量 当密封流体为挥发性比较低的水或者油介质时，蒸发泄漏的流体可以忽略不计，一 般采用量杯在泄漏孔处测量。 ( 6 ) 密封功耗的测量 对功耗的测量经常采用的方法有：密封运转时的总功率减去空载功率的功率测量法 和热平衡法等，通常可以满足工程设计计算的需要。 ( 7 ) 磨损量的测量【1 9 l 由于正常磨损量很小，需要专用的测量仪器进行测量。而对于窄环端面一般的测量 方法是“比较法 或者“划痕法 等。 2 2 2 机械密封实验台介绍 实验台架是密封型式试验不可缺少的装置，根据所模拟的工作条件不同，其台架也 不同。这里概略地介绍几种机械密封实验台架装置。 ( 1 ) 常规的密封实验台 一1 0 学位论文 在泵用机械密封的实验中，实验台主要采用的是单悬臂或双悬臂的结构。 图2 - 2 单轴机械密封实验台 f i 9 2 - 2s i n g l em e c h a n i c a ls e a lt e s tb e d 卜变速三相电动机2 一底座3 一联轴：i 了4 一托架5 一减压阀6 一截止阀 7 一进口管8 一压力表9 一压力腔体1 0 - 压盖1 1 一量杯1 2 一出口管 单悬臂简易实验台，如图2 - 2 所示。该装置是利用单吸单级悬臂式离心泵的主要结 构进行组装完成的，采用调速电动机驱动，通过弹性柱销联轴器与传动轴连接传递动力。 密封腔体根据实验要求进行设计，传动轴同时也是机械密封的安装轴。被测机械密封安 装在传动轴的轴端，或者是轴套上。机械密封在实验中会产生轴向力，过大的轴向力会 对实验台结构产生一些影响，造成测试问题以及很大的功耗，这一问题在机械密封实验 压力很高时尤其明显。为了消除机械密封产生的轴向力，需要在靠近联轴器端对称安装 另一套同规格的密封。被添加的机械密封同时作为密封腔在靠近联轴器一侧阻止泄漏的 密封。 双悬臂简易实验台，如图2 - 3 所示。双悬臂实验台是在单悬臂结构上发展而来的， 可以很好的消除轴上的轴向推力，并且同时测试两套单端面机械密封。转轴用两个滚珠 轴承作支撑，轴承座固定在焊接的刚性架上。动力装置同样采用调速电机，通过皮带与 传动轴连接，转轴上的皮带轮装在两滚珠轴承中间，达到力学平衡。为适应不同规格尺 寸的密封，可更换轴套及法兰。 第二章机械密封及其实验台研究现状 3 4 5 6 2 78 91 0 a 局部详图 b 总装图 l l 1 2 1 3 1 4 图2 - 3 双悬臂简易试验台 f i 9 2 3d o u b l ec a n t i l e v e r ss i m p l et e s t - r i g 卜机械密封2 一转轴3 一轴套4 一乐盖5 一腔体6 一检漏管7 一法兰 8 一轴承9 、1 3 - 带轮1 0 - 机壳架1 卜支架1 2 一电机1 4 - 量杯 ( 2 ) 高速密封实验台。 图2 4 所示为高速密封实验台的结构简图。 1 3 图2 - 4 双悬臂四支点设计 f i 9 2 - 4d o u b l ec a n t i l e v e r sf o u r - p i v o td e s i g n 卜直流电机2 、4 一带轮3 一皮带5 、1 2 - 轴承支架6 、1 1 一单端面或双端面密封 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 7 、9 一动力轴承8 一高速轴1 0 - 齿轮箱1 3 、1 4 - 辅助轴承 该实验台采用了皮带传送动力，由于采用了卸荷装置以及动压轴承，大大提高了运 行平稳性，使实验转速提高至u 1 5 0 0 0 r p m 。该实验台的辅助系统主要有两台泵，一台用于 主轴承和辅助轴承的润滑和冷却，另一台泵将热油抽回油箱。其他的辅助装置包括热交 换器和蓄能器等。控制系统用于控制各动力装置的运行，以及其他辅助的执行机构，从 而保证实验过程正常进行。 2 2 - 3 水介质机械密封实验步骤 ( 1 ) 静压实验 准备工作。安装密封，检查各个接头是否松动，管路是否连接无误； 用液压管连接密封腔接口板“水出口”与密封腔进口，关闭蓝色节流阀防止水倒 流进其他管路； 将水泵旁路球阀，泵入口球阀，缓冲罐节流阀，红色节流阀以及电动阀全开，保 证水路全通； 管路清扫。打开清水泵电源，使水路带压工作5 分钟，检查是否有水流不畅，漏 水等异常情况出现； 打开控制计算机，启动采集控制软件，检查采集系统是否正常，检查自动调节是 否j 下常工作； 进行实验。手动缓缓调节缓冲罐节流阀、红色节流阀和水泵旁路球阀，使密封腔 的压力从小到大进行变化。根据要求进行实验，待压力稳定后，进行各个测试量( 如自 动采集量、泄漏量) 的测量。实验过程中保证温度的恒定( 可以由电加热器控制柜或水 流量进行控制) ； 停机。关闭电加热器；关闭计算机；将水循坏管路上的阀门全部打开；卸压后关 闭清水泵； 实验结束。拆卸密封，阀门全闭，水路清扫，实验室整理。如果继续进行动压实 验此步骤忽略。 ( 2 ) 动压实验 定转速，定温度，变压力实验： - 1 3 第二章机械密封及其实验台研究现状 准备工作。确保实验台上无实验工具，测量仪器等物品，保证主轴转动后的安全； 同静压实验步骤、； 手动盘车。确保固紧螺钉紧紧将轴套和主轴固定在一起，最高实验压力下手动缓 慢盘车，检查主轴是否能正常工作； 启动实验台电机。将电机转速调节到所需要的转速； 将转速保持在实验要求值上，调节红色节流阀和水泵旁路球阀，使压力从小到大 变化。待压力稳定1 0 分钟后，进行各参数测量。依次要求完成实验。测得最后一组数 据后，进行卸压至最低压力。整个实验过程中通过微机自动控制以及手动控制保证转速 和温度的恒定； 变化温度或者转速，待稳定1 0 分钟后，重复步骤，以测得所有数据； 停机。先将实验台电机转速降到最低，然后停机；卸压后将清水泵关闭；关闭计 算机； 实验结束。放空密封腔残水，拆卸密封，阀门全闭，水路清扫，实验室整理，或 进行其他实验。 2 3 s o l i d w o r k s 软件介绍 2 3 1 机械c a d s o l d i w o r k s 是一款3 d 建模设计软件，采用尺寸驱动的设计方法，具有图像直 观，方便修改操作等优点【2 0 1 。 ( 1 ) 零件建模：通过i n s t a n t3 d ，能够快速方便的创建和修改3 d 零件几何体。通 过简单的操作来创建特征，观察剖视图，以及调整零件的尺寸；并且可以创建准确的2 d 工程图，以确保制造的零件顺利套合。 ( 2 ) r e a lv i e w 图形：直观的显示设计和进行交流。无需渲染，即可以为零件、装配 体和已完成产品快速生成多种完全动态的逼真展现形式。 ( 3 ) 装配体建模：通过选取各个曲面、边线、曲线和顶点来配合零部件；创建零部件 间的机械关系；进行干涉、碰撞和孔对齐检查；以及在必要的运动关系间建立关联。 1 4 ( 4 ) 仿真装配体运动：进入装配体仿真运动模式s o l i d w o r k sm o t i o n ，可以检查装配体 各零部件之间的运动关系是否正确，或者碰撞情况是否存在；以及对物理运动进行仿真， 准确测量在动力源的驱动下各零部件上形成的速度、加速度和转矩等。 2 3 2 设计验证 借助内嵌的s o l i d w o r k ss i m u l a t i o n 有限元分析软件，能够模拟受力，热量，流体等 条件对零件或装配体的影响，并输出测试结果，为样机的设计实验提供必要的依据。 ( 1 ) s i m u l a t i o n 的主要功能：包括静力分析、热分析、频率分析、设计优化等。由于 与建模软件完美集成，所以整个界面显得十分友好，模型数据与分析目标相互关联，能 够对修改数据实时更新。载荷、约束直接加在模型上，使得初学者也能够根据基本的机 械设计常识进行操作。同时集成的分析结果显示工具，可以对应力、应变、位移、变形 及自定义的检查项目进行显示，形式是图像、图表、动画、探测器等。 ( 2 ) f l o ws i m u l a t i o n 的主要功能：是s i m u l a t i o n 集成的又一组件，用于计算流体 和流场，能在不同雷诺数范围上，建立气体和液体等介质的流场模型，通过更接近实际 的参数设定来建立分析过程，得到分析结果。提供了一些成熟的分析模型，包括电子设 备风扇散热，管道流体阻力，风机实验等的分析。 2 3 3s i m u l a t i o n 与其他有限元分析软件比较 s i m u l a t i o n 软件是美国s r a c ( s t r u c t u r er e s e a r c ha n da n a l y s i sc o r p o r a t i o n ) 公司的产品，它具有计算速度快、解题时占用磁盘空间少、使用方便、分析功能全面、 与其他c a d c a e 软件集成性好等优点，下面简要介绍一下这些特点1 2 1 】。 ( 1 ) 计算速度快：s i m u l a t i o n 采用的是一种被称为f f e 的方法，即快速有限元法( f a s t f i n i t ee l e m e n t ) 。f f e 方法其实就是针对不同的迭代算法总能保证其收敛的改进的迭代 法，因此通常具有较快的收敛速度。 ( 2 ) s i m u l a t i o n 的功能：s i m u l a t i o n 软件是按模组进行封装的，它可以做的分析 有：静态力学分析、频率分析、热力分析、