（机械设计及理论专业论文）差速浮动式传输密封的关键技术研究.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 差速浮动式传输密封是一种新型的接触式轴端机械密封。本文根据查阅相关文献， 结合传输密封使用工况要求，利用摩擦学和机械制造工艺相关知识对差速浮动式传输密 封的差速浮动特性及其影响因素进行分析；根据流体动静压润滑理论，结合传输密封密 封间隙的结构特点对密封的性能参数进行了求解。 根据实地调研测绘，对差速浮动式传输密封进行实体建模，给出了传输密封使用工 况参数。结合液压系统传动特点，通过流体在流动时的压力损失计算，对传输密封的主 要零部件结构参数进行优化，对螺钉进行布置、选型和强度校核。结合国内外表面粗糙 度对密封性能影响的研究现状，利用“平均流动模型”对密封端面表面粗糙度进行数值 模拟分析和波纹度分析，说明它们对密封性能的影响特征；并通过差速浮动式传输密封 结构特点和加工工艺分析，给出了密封副材料的选择和热处理工艺。 根据流体连续性方程、动量守恒方程，通过n s 方程在柱坐标系下的雷诺方程推导， 得出密封间隙中的控制方程，建立传输密封流体模型。利用泛函求极值和有限元法给出 控制方程的离散形式，通过a n s y s 流体分析模块f l o t 凡nc f d 进行求解，并将求解 结果与理论计算结果进行对比，验证了数值模拟结果的正确性。另外，通过对密封参数 的图表分析，说明转速、压力和间隙等参数对密封性能的影响。 根据金属的腐蚀形式，结合传输密封使用特殊环境，分析了传输密封主要腐蚀失效 形式和腐蚀机理，并提出相应的防护措施。 关键词：传输密封；差速浮动；雷诺方程；端面流场；防腐 差速浮动式传输密封的关键技术研究 a b s t r a c t t h ed i f f e r e i l t i a ln o a t i n g 仃a n s m i s s i o ns e a li san e w 邯eo fs h a re n d c o n t a c tm e c h a l l i c a l s e a l b a s e do n 缸p e c t i o no ft 1 1 er e l e v a n tl i t e ! r 抓玳，i ti su s e dm et r i b o l o g yk n o w l e d g ea n dt h e m a l l u f a c t u l i n gt e c h n o l o g ) ，t 0a 1 1 a 1 ) ，z et 1 1 ed i f f 旨e n t i a lf l o a t i i l gc h a r a c t e r i s t i c sa n di 1 1 f l u e i l c 地 f a c t o r so fm ed i f f e r e n t i a ln o a t h 培t r a l l s 皿s s i o ns e a li 1 1t l l er e a lw o r l ( i n gc o n d i t i o n a c c o r d i n gt o t h es t m c t u r a lc h 扣a c t e r i s t i c so f 仃a 1 1 s m i s s i o ns e a ls e a lg a p ，u s e dh y d r o d y n 锄i ca n dh y d l l o s t a t i c l u b n c a t i o nm e o r yt 0s o l v en l ep e r f o n n a i l c ep a r a m 酏e r so ft 1 1 es e a l a c c o r d m gt o 丘e l dr e s e a r c hm 印p i n g ，b u i l tu pm e3 dm o d e lo ft 触s m i s s i o ns e a l a n d g i v e nt 1 1 ew o n d n gp a r a m e t e r so fi t c o m b i l l a t e do f 也e 仃a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e h y d r a u l i cs y s t e mo p t i m 娩e dt 1 1 ep a r 锄e t e r so f 也em 如c o m p o n e n t so ft h e 乜a n s m i s s i o ns e a l s t m c 眦b yt h en u i df l o wp r e s s u r el o s sc a l c u l a t i o l l ，s e l e c t e ds c r e w sl a y o u ta n dc h o c k e d s 仃e l l 舀h c o m b i i l a t e dt l l er e s e a r c h e so ft h es e a l i n gp e r f o 加a i l c ei n l p a c tb yt l l ed o m e s t i ca i l d i n t e m a t i o n a ls u r f a c er o u g l l l l e s s a n a l y s i st 1 1 en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dw a v i n e s so ft h es e a l f a c es u r l a c er o u g l l i l e s su s i i 培t 1 1 ea v e r a g en o wm o d e la n a l y s i s t h ea n a l y s i sr e s u l t ss h o wt l l e 脚a c to ns e a lp e r f o m l a r l c ec h a r a c t e r i s t i c s g i v e ns e a l i n gm a t e r i a l sa r l dh e a t 仃e a t r i l 哪 p r o c e s s e sb y d i 缅孙e 1 1 t i a ln o a t i l l g 仃a i l s l l l i s s i o ns e a l 蛐m c t u r a lf e a t u r e s 锄dp r o c e s s i l l ga 1 1 a l y s i s a c c o r d i n gt ot l l en u i dc o n t i n u 时e q u a t i o n 锄dm o m e n 咖c o n s e r v a t i o ne q u a t i o l l ，g o tn l e c o n 臼o le q u a t i o no ft 1 1 es e a lc l e a r a l l c et l l r o u 曲t 1 1 em a y o re q u a t i o nd e r i v a t i o no ft h e n a v i e r s t o k e se q u a t i o l l si i lc y l i l l 嘶c a lc o o r d i n a t es y s t 锄b u i l tu pt h em o d e lo ft r a n s m i s s i o n s e a ln u i d b yu s m gn 啪嘶c g l ls o l u t i o nm e m o d ，o b t a i l l c dt l l ed i s c r e t ef o r mo fc o n t r 0 1 e q u a t i o l l sw i t hf i u n c 6 0 n a lf o re x 仃e i n ev a l u ea n df 硒t ee l e m e n tm e t h o d s o l v e dm en u i d a n a l v s i sm o d u l eb vf l ，o t r a nc f di na n s y s t h 黜a s t e d 吐l es o l u t i o nr e s u l ta l l dt 1 1 e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t v e r i f i e dt h ec o r r e c 协e s so ft 1 1 ei m m e d c a ls i m u l a t i o n i na d d i t i o m m r o u 曲m ec h a na n a l y s i so fs e a lp a r a m e t e r s ，g o tt h ec h a n g e so fp a r a l l l e t e r ss u c ha ss p e e d ， p r e s s u r ea 1 1 dg a ps i z ei 1 1 n u e n c em es e a lp e r f o 珊a n c e a c c o r d i n gt o 也ec o n l o s i o nf 0 m 1o fm e t a la 1 1 dt h es p e c i a le i l v i m n m e n to fs e a l i l l g ， a n a l v z e dt h em a i l lc o n o s i o nf a i l u r ef - o n n sa n dc o r r o s i o nm e c h a n i s mo f 咖s m i s s i o ns e a l ，a n d 西v es o m ep r o t e c t i v em e a s 眦e s k e yw o r d s ：1 r a l l s m i s s i o ns e a l ；d i 您：r e n t i a lf l o a t i l 唱；r e y n o l d se q u a t i o n ；f a c ef l o w f i e l d ；c o n o s i o np r e v 饥t i o n i i 西华大学硕士学位论文 1 绪论 差速浮动式传输密封是推料式离心分离机上连接进油口与旋转复合油缸的关键部 件。根据离心分离机的使用要求：传输密封的作用就是在常温工况下，传递液压油的压 力，推动活塞杆往复移动，实现进料和卸料。传输密封实质上是一种接触式机械密封， 它同时具备密封和传输两个功能。传输密封由两组低粗糙度、高平面度的密封平面，和 组合密封圈等起密封作用的密封件组成。动、静环端面上圆周均匀分布的小孔作为高压 油的输油通道，高压油从静止的输油通道输送到旋转轴的通道，进入液压缸来产生推动 活塞杆运动的轴向推力。由于动、静环密封端面在轴向上有一个微量的间距差，并以不 同的速度转动，同时在液压油的作用下两密封端面相互交替的闭合和开启，从而形成差 速浮动效应。 1 1 研究的目的和意义 往复推进式离心分离机是一种在常温全速运转下，通过离心力作用原理除去产品中 多余水分的连续化生产设备，它通过换向阀、液压油等实现产品的进料、分离、洗涤、 卸料等操作。往复推进式离心分离机具有生产效率高、运行可靠、分离精度高、连续作 业时间长等优点，是石油、化工、食品、制药、选矿、煤炭、水处理和船舶等行业固液 两相分离工艺工程中常用的一种重要设备。离心分离机的轴在旋转过程中要承受很大的 轴向力，并且高压液压油要通过传输密封装置进入液压缸循环产生轴向推力，钉。因此， 传输密封是推进式离心分离机的关键部件，主要功能传递液压油的压力，推动活塞杆往 复运动，实现进料和卸料。设计的液压缸里的换向滑阀在高速回转中能平稳运行，压力 油要通过传输密封进入液压缸，在导阀、滑阀的轴向动作下，推料活塞两侧交替进入压 力油，以实现往复运动，因此，零件加工精度要求高，特别是形位公差要求更高，使得 加工难度大，而传输密封的性能直接影响到离心机设备的工作性能和固液分离效率， 特别是对离心机推料盘的往复运动特性有直接影响，是评价离心机总体性能的一个重要 指标。在实际使用中，往往因为密封装置的设计不合理使得密封件的使用寿命很短，严 重影响了离心分离机的正常使用h 5 3 。离心分离机的两个密封面以不同的速度转动，同时 承受轴向力，使得传统的机械密封或者是往复式组合密封均无法满足离心分离机使用要 求，设备无法正常工作，易造成大量的高压液压油泄漏。介质泄漏不仅污染环境，影响 产品寿命和人体健康，且往往会造成火灾，爆炸等重大事故。 差速浮动式传输密封的关键技术研究 我国在离心分离技术上起步较晚，大型离心分离机属国防设备，国外对我国采取严 格的保密和封锁，使我国在该项技术的发展上十分缓慢，目前仍严重落后于国外先进技 术6 一引。 国内离心分离机生产商主要有杭州轻工实业有限公司、重庆江北机械厂和成都天保 机械制造有限公司等。总年产量逾千台以上，所用密封装置全部依赖进口或以传统的密 封方式代替。特别是对于年产量较大的化工生产线用的大型分离机，进口密封件价格高， 进口的依赖使密封件在时间上不能及时地满足检修更换要求，造成离心机使用单位需承 受很大的采购成本压力。密封技术的滞后，也制约了我国离心分离机国产化进程。 根据国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见，要大力振兴我国装备制造业， 并以装备制造业带动配套及零部件生产的中小企业，向“专、精、特”方向发展，以形 成若干各有特色、重点突出的产业链，有重点的研究开发重大技术装备所需的关键原材 料及零部件，逐步提高装备的自主制造比例。 目前，国内已经有推进式离心分离机用传输密封的相关专利旧t m l ，且具有较强的新 颖性和实用性，但在产品设计、结构优化、密封机理等理论研究上有些不足，产品大多 以试验形式逐步改进完善，缺乏系统的设计方法和理论依据。因此，研制满足推进式离 心分离机使用要求的传输密封装置，对一些技术问题进行研究，探索密封机理及其影响 因素，提高产品质量，延长产品使用寿命，开发并逐步替代进口产品，提高离心分离机 用传输密封的自主创新能力，促进我国装备制造业发展，就显得十分有必要。 本论文针对离心分离机用传输密封一些技术问题进行探索研究，研究传输密封的工 作特点，设计要点及密封技术参数相互之间的关系与特点，通过理论计算和数值模拟的 方法，结合密封失效的一些实例，进行对比分析，寻求相关理论和技术支持，对产品的 开发与生产实际具一定的指导意义。 1 2国内外研究状况和发展趋势 1 2 1 国内外研究状况 自1 8 3 6 年第一台三足式离心机在德国问世后，迄今分离技术有了很大的发展。各 类离心机种类繁多，正在向高参数、系列化、专用机、多功能、新材料及自动化等方面 发展，并已广泛用于化工、食品、轻工、医药、军工、造船、环保、生物工程等工业领 域3 。早期活塞推料离心分离机上的油分配器均采用机械密封，即在密封装置中安装弹 簧，以施加预紧力。此类结构由于弹簧始终顶着密封面，造成密封面直接接触，摩擦大， 容易损坏。尤其是当液压油含有杂质时，密封面之间的磨损加剧，导致油分配器的使用 寿命很短。 2 西华大学硕士学位论文 资料显示，h r 5 0 0 及h r 6 3 0 型双级活塞推料离心机的液压部分存在设计缺陷，密 封性能不好，造成推料不到位甚至不推料现象。日常运行中应经常观察，并要求它要有 少量的回油，否则表面供油故障，但若回油太大说明压力介质输送器密封圈漏，这也将 影响油缸及轴承供油，应立即检修n 2 1 3 3 。9 0 年代初，四川江北机械厂引进h r 6 3 0 型双 级活塞推料离心机生产技术，并在部分地区投产运行，该机型与同类机型相比有能耗低， 噪声小，工作稳定，生产量可提高一倍等特点，但所使用的机械密封装置普遍存在寿命 短的问题，在气温比较高的时节，连续工作一周即存在严重失效，表现为大量泄漏 ( 5 k d ) ，其内部静环密封磨损量达2 5 m m 。廖义德 1 4 等人通过端面比压计算，采用 差动压力补偿机械动密封结构，并更换密封副材质，取得了较好效果。陈森 1 5 】设计了 一种可变双阻尼密封装置，可用于离心机的主轴液压传动系统，用来防止高压油输入高 速旋转液压执行元件时，油液泄漏过多。陈森 1 6 】针对卧式螺旋推料沉降式离心机，使 用液压差动变速器代替行星齿轮差速器驱动螺旋，保证了螺旋有较大的推料力。为了在 高压液压油的作用下，防止由静止输油通道向高速旋转的液压差速器输油的泄漏问题， 设计了一种输油动密封，通过对其密封参数、泄漏量等问题进行了粗略的定量计算，较 好的解决了此问题。阿力甫 1 7 等人对螺旋卸料离心机进料端内部轴承密封结构进行了 改造。国内曾采用普通结构的机械密封和其它组合式密封结构用于离心分离机上n8 1 9 1 ， 但无法很好地满足离心分离机的使用要求，造成大量的高压液压油泄漏，效率较低，设 备无法正常工作，并会造成环境污染和资源浪费。张仕明【2 0 】等人针对卧式连续推料离 心机前轴承密封容易失效的不足，发明一种组合密封装置，该装置将迷宫密封和气动密 封有效的结合，提高了密封性能的可靠性，也能应用于驱酸等恶劣环境中。国外生产此 类传输密封的公司主要有德国、日本和美国，并在这方面表现非常突出，各种新试制密 封装置不断涌现，各种新的理论和密封技术相继出现障7 ，2 。2 羽。另外，姜继海 2 3 等人针 对将液压从一个固定不动的部件传输到一个旋转部件上，同时将液压传输给执行元件做 功，提出了一种静压滑环装置。这种类似于差速浮动式传输密封的结构运用了流体静压 控制间隙的密封技术，并在特定工况条件下，对静压滑环密封间隙流体的流动特性受液 压油的温度、粘度，以及与动静环的磨损、机械损失、油膜厚度、承载能力的关系进行 研究。考虑变粘度变化的情况下，分析静压滑环间隙流场的特性，并应用于高转速，高 压力场合以及高速旋转接头上。南京林业大学的王立杰、宋飚等人设计了一种液压控制 密封间隙的衬套装置埋4 2 5 j ，引用了液压反馈控制密封间隙系统，可以有效地控制密封间 隙，这也为差速浮动式传输密封的理论计算和设计分析提供了一些依据。 差速浮动式传输密封的关键技术研究 1 2 2 发展趋势 目前，离心分离机正向强化分离性能、发展大型的离心分离机、改进卸渣机构、提 高推动力和推渣速度、加强研究离心分离过程最优化控制技术、高压、高转速、低功率 损失、高效率、耐高温和低泄漏量环保等方向发展啪1 。这给传输密封提出了可靠性高、 整体强度高和抗冲击能力强等更高的要求。 首先，密封装置要具有较好的密封性能，具有较好的安全性和环境的保护功能，即 要求“零泄漏”和“零逸出”。不仅要控制眼睛看得见的“泄漏”，还要控制眼睛看不 见的易挥发物的“逸出 。 其次，在密封面材料配对上要不断探索创新，要向更高物理性能和更稳定化学性能 的方向发展。例如，在密封面材料配对上采用高耐磨硬质合金，c c 复合材料，s i c 材 料，表面喷涂技术等，从而提高了它的耐磨性和使用寿命。 再次，要求密封副具有良好的动力学性能，主要在结构改型上进行研究，设计在起 停车、速度、流量、密封材质、温度的改变均具有较好的自适应性性能，能较好的完成 密封任务。 另外，要有良好的可拆装性，密封产品作为一个部件装配设备中，结构的简化，可 以大大减小安装难度，提高安装检修效率。 还有，要有较小的磨损率和更广泛的使用范围，开发具有通用性比较强的产品等。 1 3 本论文研究的主要内容 本文研究内容来源于四川省教育厅自然科学重点项目( 1 2 z a l 6 8 ) 和四川省学术和 技术带头人培养资金项目( 1 2 2 0 2 4 6 2 ) 。 根据产品使用现场反馈，推进式离心分离机的密封问题还存在以下问题： ( 1 ) 由于离心分离机的高压，液压执行元件高速旋转等工作特点，往复运动导致 活塞换向时产生惯性力，造成液压油压力波动大，使得传输密封的两密封面频繁受冲击 导致密封面变形和损坏。 ( 2 ) 传输密封的变形是导致密封失效的主要原因之一。过大的变形导致端面液膜 分布不均匀，液膜最小厚度降低，端面瞬间接触及泄漏量增加。 ( 3 ) 传统机械密封或组合密封不能很好地解决推进式离心分离机的密封问题。虽 然国内已经有传输密封的相关专利，但制造出来的产品，普遍使用寿命较短，在产品的 密封机理研究、系统失效分析、结构优化分析等方面还有些不足，产品大多以试验形式 逐步改进完善，缺乏系统的设计方法和理论分析。 4 西华大学硕士学位论文 本论文针对这些问题，利用流体动静压润滑理论，分析传输密封的结构参数和操作 参数以及参数的变化对密封和输油性能的影响规律。并对液压油缓冲室结构、油道形式， 密封平面间隙等结构参数进行优化，其主要内容如下： ( 1 ) 介绍推料离心机传输密封发展状况和发展趋势。 ( 2 ) 介绍传输密封工作原理和使用工况，分析传输密封差速浮动特性与液膜自适 应特性及影响因素。 ( 3 ) 分析传输密封密封特性，给出传输密封密封参数的计算方法。 ( 4 ) 通过分析传输密封的使用工况要求，并对其进行三维建模和关键部件结构优 化，分析了密封副材料的选取以及粗度度、波纹度对密封性能的影响。 ( 5 ) 通过传输密封模型的简化与控制方程的建立，采用柱坐标系下的雷诺方程的 推导，利用数值求解的方法，通过a n s y s 软件求解密封间隙中的压力分布，对传输密 封流场进行数字模拟。另外，通过实例求解密封参数的变化规律。 ( 6 ) 分析差速浮动式传输密封腐蚀类型及防护措施。 1 4 本章小结 介绍了推料式离心机用差速浮动式传输密封的研究现状、发展趋势以及现实意义， 分析了差速浮动式传输密封的主要特点，根据传输密封应用存在的问题确定本文研究的 主要内容。 差速浮动式传输密封的关键技术研究 2 传输密封液压油缓冲室的结构、布置和密封端面液膜特性 本章根据分析差速浮动式传输密封的工作原理及使用环境，利用摩擦学原理，探讨 差速浮动式传输密封的差速浮动特性及在不同摩擦状态下的运动特征；通过液体静压传 递原理分析端面受力，探讨传输端面液膜的形成及其自适应性特性。 2 1 差速浮动式传输密封的工作原理及使用环境 差速浮动式传输密封是基于传统机械密封技术基础上发展形成的一种新型的具有 传输液体介质的接触式机械密封。如图2 1 所示，将密封端面设计成特殊的几何形状， 通过外部引入的清洁压力流体在密封面之间形成一层静压流体膜，充分地润滑和冷却摩 擦副，使密封能在高速、高压条件下稳定运行。 密封面2锌j 封面l 图2 1 差速浮动式传输密封简图 f i g 2 1d i a g 舳o f d i 髓e 棚瓶a ln o a 血g 位m 跚1 i s s i o n a 1 西华大学硕士学位论文 图2 2 差速浮动式传输密封示意简图 f i g 2 2d i a g r a 如l l 】a t i ci 1 1 u s t r a t i o no fd i 佰e r e n t i a ln o a t i i l g 缸吼s m i s s i o ns e a l 差速浮动式传输密封的工作原理：密封副由两组动、静环组成，整体安装在机座空 心轴与旋转油缸间，静环固定安装在机座的空心轴上，动环通过两个v 型圈安装在旋转 油缸上，如图2 1 所示。静环1 与静环2 、动环1 与动环2 分别通过螺栓连接。工作时， 密封副上形成两组密封面，内密封平面上均布许多小孔，作为高压油的通道，来自油泵 的高压油从静止的输油道a 流经静环1 上的通道b 进入液压油缓冲室，液压油流经动 环2 上的通道v 型通道c ，再流经动环1 上的通道d 后进入旋转的复合油缸上的通道e ， 最后流入复合油缸里的活塞内，通过换向阀驱动活塞作往复运动。密封副工作时，高压 液压油不间断地流经通道a b c d e 。当液压油流经通道b c 时，由于流体静压效应，动 静环配合形成的密封面1 和密封面2 将交替闭合，其高压液压油经此沿径向流入，交替 形成微小间隙油膜，润滑和冷却摩擦副，并达到密封作用。另外，高压油的压力使传输 密封与转轴之间产生浮动，动环和旋转油缸形成沿轴向的微动以及不同速度的转动，来 实现速度和端面间隙的自适应调节，达到最佳效果。 差速浮动式传输密封的关键技术研究 图2 3 传输密封在离心机上的装配示意图 f i 孚2 3d i a 星孵i m l l l a d ci 1 1 u s 锨砸o no f1 1 1 e 仃如锄：i s s i o ns e a l 勰s 咖b l yi nc e n t r i f 吆e 传输密封副整体安装在离心机机座空心轴与旋转液压缸如图2 3 所示位置，来自液 压泵的高压油一般在4 o m p a 以下，通过进油通道进入传输密封副经过直油道进入到复 合油缸g 腔内。h ，j 腔体通过输油道与g 腔常通进油，传力板将活塞与推料杆连为一 体，并以推料杆中的中心孔回油。活塞左端的油路通过n ，p ，m 同回油路相通，处于 卸荷状态；g 腔内的液压油通过导向活塞台阶没有封闭的进油道经活塞左端的缺口进入 主滑阀的左端，在油压的作用下，主滑阀向右移动，当主滑阀滑移到h 腔与n 相通时， 压力油进入活塞的左端，并推动活塞带动推料杆向右移动；而此时主滑阀右端的进油道 被导向活塞右端台阶封闭切断，其右端通过活塞右端通道与回油路相通；当活塞继续右 移直至导向活塞右端碰上油缸壁时，导向活塞开始相对于活塞左移( 实际上导向活塞不 动，而活塞在继续右移中) ，当导向活塞的左端台阶将活塞盘中的油孔封闭时，右端的 台阶从孔中退出，g 腔中的压力油进人主滑阀右端，而左端卸荷，主滑阀开始换向，此 时活塞继续在压力油作用下右移；当主滑阀中间台阶将活塞左端进油口关闭后，活塞左 端的卸荷，右端的进油，导致活塞制动并改变方向向左移动，最后实现换向。 复合油缸在整个工作过程中，液压缸通过导向杆带动空心轴不断旋转，液压油只通 过传输密封副进行单向进油，并通过中心轴孔通道实现回油。在流经传输密封副时，泄 漏的液压油通过泄漏回油通道流回主油箱。 西华大学硕士学位论文 2 2差速浮动式传输密封差速浮动特性分析 根据差速浮动式传输密封使用环境与装配关系，进行受力分析，阐述传输密封动环 在液压环境中，压力的变化引起密封环驱动摩擦力的变化，从而引起传输密封动环相对 缸套进行差速旋转的特性。讨论液压环境和加工装配情况对差速浮动特性的影响。 2 2 1差速浮动特性分析 由两组动静环装配形成的传输密封副，整体镶嵌安装在机座空心轴与旋转油缸的缸 套之间，静环1 和静环2 通过螺栓连接组成一个整体，并以间隙配合的方式安装在机座 的空心轴上，静环1 和静环2 的内侧分别有一道用于安装v 型圈的密封槽。工作时，v 型圈在高压油的挤压下，通过摩擦力固定在静止空心轴上。动环1 和动环2 也通过螺栓 连接组成一个整体，动环1 外径间隙配合并通过两个v 型圈以过盈配合的方式安装在缸 套上，动环外端面通过中间垫环，与轴承外圈安装在一起。油缸缸套通过皮带旋转带动 高速旋转时，油缸内侧通过与v 型圈间的摩擦力作用，带动动环旋转。 对于差速效应，取动环1 和动环2 装配的整体作为研究对象，受到垫环挤压力f o 和缸套内侧台阶的挤压力f l ，另外还受到进油口的液体压力只和出油口的液体反作用压 力露、两v 型圈上的径向压力作用、不，在总摩擦力f 带动下旋转，密封圈与缸套 之间的摩擦系数为厂，其受到力的作用示意如图2 4 所示。 台阶 图2 4 动环l 和动环2 装配后的整体受力示意图 f i g 2 4 ，n l ef o r c ei l l u s 衄t i o no fm eo v e r a l la s s e i i l b l yo fm o 询g 血g1a 1 1 dm o v i n g 血g2 设端面外边缘o 点为原点，在平衡状态下： + 昂& 一互= 0 ( 2 1 ) 设中间垫环到边缘o 点距离为乞，内台阶到o 点距离为厶，进油口距o 点垂直距 离为乇，出油口距。点距离为，两v 型圈距。点距离分别为0 。、：，根据力矩平衡 列方程有： 9 差速浮动式传输密封的关键技术研究 e 厶+ 昂& 毛一只s - 一e 厶一彳0 - 一以0 ：= o 将式( 2 1 ) 代入有： e ( 厶一厶) + 鼻( 乇一厶) 一片s 厶= z 0 。+ 六0 ： ( 2 2 ) ( 2 3 ) 假设进油口压力只不变，当经过密封间隙时，传输密封负载发生变化，压力产生波 动，只会随时变化，从而造成摩擦力矩的波动，形成液压缸套对动环驱动的总摩擦力f 的变化，从而造成动环相对液压缸套驱动力发生改变。当只变化到较大时，其压力足以 形成周向密封开启力时，液压缸套与v 型圈之间属于全液体摩擦状态，其摩擦力只由流 体剪切力提供，当它小到不足以克服动环惯性矩与摩擦力矩驱动动环旋转时，就会引起 动环相对缸套产生滑动作用，从而造成动环在较低甚至是零转速下运行；当只变化到较 小时，其压力不足以形成周向密封开启力时，液压缸套与v 型圈全之间之间接触，属于 静摩擦状态，当摩擦力足以克服动环惯性矩与摩擦力矩驱动动环旋转，则动环与缸套处 于相对静止状态。这样，随只的改变引起的驱动力矩的改变，使动环的旋转相对缸套的 旋转具有一定的速度差。 当然，v 型圈与缸套之间的摩擦状况是非常复杂的，其密封状态也因环境压力的变 化而随时发生变化，对比机械密封的摩擦变化特点，在研究机械密封摩擦副的摩擦系数 厂时，发现其具有与滑动轴承相似的规律，有静摩擦、干摩擦、混合摩擦、边界摩擦、 半液体摩擦、全液体摩擦几种摩擦工况，各种摩擦状态下的摩擦系数大小区别较大，如 表2 1 所示。 表2 1 机械密封在各种摩擦工况下的摩擦系数 t a b 2 1n e 箭c t i o nc o e 饰c i e i l to fm e c h a i l i c a ls e a li i lav 撕e 够o f 衔c t i o nc o n d i t i o n s 试验表明，端面比压或旋转线速度的改变，会影响到其摩擦系数2 7 1 。摩擦系数厂与 多种因素相关，运用机械密封设计计算知识，结合差速浮动式传输密封工况条件，假设 密封面平行，高度为矗，动环与缸套之间的相对线速度为“，密封面平均半径为r ，宽 西华大学硕士学位论文 度为b ，并且密封面有两个，当液体介质压力完全作用在端面上，端面脱开，其承载力 矿为： 孵= 4 刀剧i ( 2 4 ) 此时，应大于或等于装配预紧压力。密封副在全液体摩擦状态下运行，其摩 擦力为： ，：半 ( 2 5 ) 式中：叩液体粘度； 联立式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) 求得全液体摩擦状态下摩擦系数为： z 2 鲁2 署 旺6 ) 当传输密封动环完全浮动在润滑油膜上，根据假设条件，忽略流体动压效应，当泄 漏量为零，油膜外侧边缘形成一个曲面，只考虑液体表面张力作用，介质压力与密封面 间隙的关系为啪1 ： a = 竽 ( 2 7 ) 式中：仃表面张力； 将式( 2 7 ) 代入式( 2 6 ) 中得： 厂：旦 j 2 仃 ( 2 8 ) 差速浮动式传输密封的关键技术研究 根据b o w d e n 的边界摩擦观点汹，3 0 1 ，摩擦力f 是剪切真实接触面积所需要的力。设 接触区密封面剪切强度为f ，真实接触的面积为4 ，润滑膜的剪切强度为f ，则摩擦力 为： e = 口4 f + ( 1 一口) 4 f ， ( 2 9 ) 事实上，边界润滑状态下口是很小的。故可以看成： e 4 f ， ( 2 1 0 ) 因为f ，很小，摩擦力也就很小，这就是波登认为即使在高压下承受剪切的真实接 触区内，固体面上仍有润滑膜覆盖。 当v 型圈与缸套之间有相互接触，并且相互转动没有液体进入密封间隙中时，二者 就进入干摩擦状态，根据b o w d e n 的摩擦理论，干摩擦的摩擦系数可以表示为1 ： 厶= 2 ( 2 11 ) p 式中：f ，剪切强度； p 屈服压力。 为了使传输密封动环与缸套之间形成差速运动，二者之间必须有相对运动，即： “o 。当密封副运行一段时间后，其摩擦工况应趋于稳定，密封面处于混合摩擦状态， 此时介质压力载荷孵 f _ 进油口 0 8 r d y “翠 图3 3 密封间隙的液体受离心力作用分析 f 嘻3 3a m a l y s i so fm ec 朗t r i 如g a lf o r c eo fl i q u i di nt l l es e a lg a p 在密封间隙中取一微元体口，如图3 3 所示。设微元体沿径向宽度为咖，周向宽度 d 缈，高度为砂；微元体中间距密封环中心距离为厂+ 办2 ，( ，吃和吩，= i ) ； 并且，动环旋转时，微元体沿着中心的角速度为珊，设微元体质量为，z ，故微元体质 量表示为： m = p d 9 桫 ( 3 1 8 ) 在受离心力作用时，列平衡方程有： 嘶+ 争扩七+ 熹咖卅d 伊办= 。 ( 3 1 9 ) 将( 3 1 8 ) 代入( 3 1 9 ) 有： ( p 硝2 + 华) 却缈一妾却桫：o ( 3 2 0 ) zd y 整理得： 。r ，2 + 堕竺：生( 3 2 1 ) 2砂 忽略高次项有： “：生( 3 2 2 ) 砂 式中微元体旋转的角速度：善国，由牛顿内摩擦定律f ：，7 华，代入上式中得： d口y 孚= 叼告 2 3 ， 一= 力2 l z ， 6 2。幽2 积分两次后有： 2 5 差速浮动式传输密封的关键技术研究 ：笔箬+ c l y + c 2 ( 3 “) “甜。静+ c j y + 乙2 。3 z 4 根据无滑移的边界条件，流体与固体表面接触的部分，其速度与固体表面速度相同， 用y = 0 时“。= o 和y = 万时“= 钟的边界条件代入( 3 2 4 ) 得： fc 1 ：竺一堕生 k 善1 2 叩 代入式( 3 2 4 ) 有： 铲譬号- 1 ) y + 詈y ( 3 2 5 ) 故密封缝隙在离心力作用下产生的泄漏流量为： 吼= r 2 石删。咖 = 2 2 r 陷c ；删y + 小= 硼一筹，万 2 6 ， 故在动环旋转时，吩一_ 密封面间隙在离心力作用下的泄漏流量为： f 黝硼一筹) ( 露一孑) ( 3 2 7 ) 而吃一密封面间隙在离心力作用下，液体向缓冲室中间泄漏，实事上此时离心力 可以起到阻止泄漏的作用，即： 。一一黝即一筹) ( 孑彳) ( 3 2 8 ) 故在密封端面上，因液体旋转受离心力作用下产生的总的泄漏流量为： 心巩，门办，= 蒯( 卜筹肛却一删一筹赠砷 = 删1 一筹) ( 孑+ 2 一孑一孝) ( 3 ) 差速浮动式传输密封间隙的泄漏总流量 差速浮动式传输密封在工作时，密封副上的总泄漏流量应为因密封泄漏间隙两端压 力差引起的流量与因流体随动环旋转在离心力作用下引起的流量之和，故总流量为： 西华大学硕士学位论文 = 等( 若警一彘胁印一筹联研手芎) ( 3 2 ” 6 叩、1 n ，= i 一1 i l 吩1 1 1 吃一1 n 。 、 2 0 7 7 71 3 。 3 2 密封间隙中的压力分布 流体在密封间隙中的压力分布主要是受间隙的高度、密封端面形貌、流体的粘度、 动静环转速及波动等因素的影响。在差速浮动式传输密封间隙中，在不考虑密封端面形 貌，密封通道进入液压缓冲室中压力变化的影响，密封端面各处的压力分布主要是由压 力差形成的静压力与旋转液压油形成的离心力来决定的。 ( 1 ) 密封间隙两端压力差形成的压力分布 根据前面求得差速浮动式传输密封动静环在压力差形成的静压力作用下，流体向外 侧密封面泄漏的流量式( 3 1 5 ) 由前面式( 3 1 3 ) 可得，在吃一，= i 密封面上沿径向压力梯 度为： 幽，。= 笋 3 0 ， 对上式积分有： p ：哗1 i l ，+ c 易3 42 尹m 札 代入边界条件，r = _ ，a 3 一。= p 2 有： c - 最一等1 1 1 _ 代入常数c 有： = 最+ 警l n 云 ( 3 3 1 ) 将式( 3 1 5 ) 代入( 3 3 1 ) 即得吒一，= l 密封面上因压力差形成的压力分布函数为： 肌。= 昱+ 等等纰z ( 3 3 2 ) 式中：吩，：i 。 同理计算得吃一密封面上因压力差形成的压力分布函数为： 玩。= 忍+ 毒盖纰， ( 3 3 3 ) 式中：厂吒。 ( 2 ) 密封间隙中流体因离心力作用形成的压力分布 差速浮动式传输密封的关键技术研究 l 一 若密封缝隙中液体以的角速度旋转运动时，在离心力作用下所产生的密封缝隙 流量为矧： 2 丽 加2 r 2 6 3 油压因离心力作用下降，设g 拼为离心力作用在半径，处引起的压力降， 板间层流流量可得瞄： 一笔笋 ( 3 3 4 ) 由两平行 ( 3 3 5 ) 联立式( 3 3 4 ) 和( 3 3 5 ) 即求得离心力作用时在吩一，：l 密封面上压力沿径向压降 分布为： 卸m 2 素p 砌 一，饥= 羔娶p 矗r 由 求得： 2 云户2 ( 一吩2 ) 。3 6 式中：吩，_ ； 同理求得，在吃一密封面上因离心力形成的沿径向分布的压力降： 一云( ，一吃2 ) 3 7 式中：，i ，乞。 ( 3 ) 密封间隙中流体总的压力分布 差速浮动式传输密封稳定运行时，因整体温度基本恒定，压力变化不大，忽略温度 和压力对流体粘度的影响，密封间隙中的压力分布主要是由密封间隙两端压力差引起的 压力分布和由离心力作用引起的压力分布决定的。故在密封间隙中，吩一，= i 密封面上压 力分布为： p 2 p ，3 - 4 一p 吩一，= l = 最+ 等盖峨一嘉旷) ( 3 3 8 ) 。 l n 一l n “ 2 0 、 。 式中：吩，：i 。 密封间隙中，吒一密封面上压力分布为： 西华大学硕士学位论文 一所2 一l 一r 2 一 = 只+ 熹苦屹+ 嘉( ，o ) ( 3 3 9 ) 3 l n 一一1 1 1 ” 2 0 、 7 式中：，。 可以看出，在差速浮动式传输密封中，离心力在巧一密封面上起到了阻止流体向 外泄漏的作用，其主要的泄漏点是在一，= l 密封端面上。 3 3 密封间隙的摩擦转矩 差速浮动式传输密封在装配时是直接通过v 形密封圈浮动装配在机体上，静环上没 有像机械密封那样的弹簧或波纹管进行压力的补偿，动静环之间没有直接接触。 故当密封副在稳定运行时，流体压力恒定，转速稳定，在流体动静压作用下，其摩 擦转矩主要是由流体分子间的内摩擦力产生形成： m 。= ge 嘲9 安d 8 d r 瞧蜘) 根据牛顿内摩擦定律有：f = ，7 = 7 7 罕，代入式( 3 4 1 ) 中得： 帆= 詈( 孝一4 ) + 罟( ，：l g ) = 詈( 彳+ 考一g 一，i 4 ) ( 3 4 1 ) 当离心机负载工作时，密封间隙中的液体受到压力的扰动或其它外界干扰，设受到 的冲击作用力为只，根据机械密封模型，摩擦形式为静压润滑与接触摩擦组合的混合摩 擦状态，密封副之间的摩擦系数可以表示为汹3 ： 厂= 等州1 一冬 ( 3 4 2 ) d k 式中：g 切边模量( p a ) ； 吃密封面平均半径； 石干摩擦系数； k 时流体静压密封的膜压系数； k 。载荷系数。 故密封副受到的摩擦转矩为： m 。= f k f 去 2 9 差速浮动式传输密封的关键技术研究 = 堡g 丛+ 盟( 1 乌 ( 3 4 3 )= = o + - = _ 二i l o i lj | jj 6 2 k g j 式中：只密封副端面承受的正压力。 通常情况下，密封副在稳定运行时，密封间隙油膜主要起到油垫润滑作用，其液体 分子内摩擦力很小，摩擦转矩主要是因离心分离机推料卸料致使油压冲击造成密封间隙 大小的变化形成的，密封副运行在流体摩擦与流体摩擦同边界摩擦形成的混合摩擦的交 替变化中，混合摩擦是形成摩擦转矩的主因。 3 4 密封间隙中的端面温升 差速浮动式传输密封间隙中的端面温升主要是因液体在密封间隙中的流动因内摩擦 生热损耗以及动静环端面接触或混合摩擦生热，热传导引起液压油稳定的升高，在液膜 中形成多处不均的稳定场。差速浮动式传输密封间隙中的温度分布情况是极其复杂的， 受外界的干扰因素也是很多的。但将密封间隙看做一个系统研究，可以将液体的流动看 做为一个绝热过程，在理想状态下，液体所获得的能量全部用于液体温度的升高。故间 隙中的流量功率损失为： p q = q 却 2 訾一蚓卜筹赠+ 警一础羽一筹晰3 舭， 吩 ，i 在差速浮动式传输密封中，摩擦形式为动静压润滑与接触摩擦组合的混合摩擦状态， 故主要考虑混合摩擦状态下的端面温升情况，摩擦功率为： p f mp ：生里丛+ 坌盟( 1 一生) ( 3 4 5 ) 6 2 、 k g j 密封间隙中能量的转换用于端面温升的功率为： p 砚+ 儿 ( 3 4 6 ) p 叼r = g 印+ m 。 ( 3 4 7 ) 式中：c 液压油的比热容； 丁密封端面温度增加量； 口密封间隙的泄漏总流量。 引起的温度升高为： 西华大学硕士学位论文 丁：垒+ 塑：堡2 望2 + 堡垡：咝+ 她( 卜墨】( 3 4 8 ) c pc p qc pc p 6 q2 c p q 、 k ：。 可以看出，密封端面温升主要受液压油固有特性和密封端面摩擦状态的影响，与密 封间隙的泄漏流量也有很大的关系。降低泄漏流量和密封端面正压力，可以改善端面温 升情况，增大密封间隙也可以改善温升情况。但泄漏流量与密封间隙的变化是相互矛盾 的，合理的密封间隙与泄漏流量的控制是改善端面温升的关键