浸油端面方孔機(jī)械密封摩擦學(xué)性能研究_論文答辯報(bào)告

1、答 辯 人： 丁 洋 指導(dǎo)教師：宋鵬云 教授,昆明理工大學(xué)碩士學(xué)位論文答辯 浸油端面方孔機(jī)械密封摩擦學(xué) 性能研究,目錄,一、緒論,其中端面造型機(jī)械密封就是近幾年來(lái)發(fā)展非常迅速的當(dāng)今機(jī)械密封領(lǐng)域的一項(xiàng)高新技術(shù)，適用與大部分高壓、高溫、高速、易燃和腐蝕性介質(zhì)等復(fù)雜工況，并在離心泵、離心壓縮機(jī)和反應(yīng)釜等過(guò)程設(shè)備上取得了成功應(yīng)用。,機(jī)械密封端面摩擦狀態(tài)是決定其密封性能的重

2、要因素，也是近來(lái)學(xué)者們研究的重點(diǎn)問(wèn)題之一。,,雖然目前國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)一些端面造型機(jī)械密封的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究，出現(xiàn)了許多機(jī)械密封的新結(jié)構(gòu)，但在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速工況條件下，必要的潤(rùn)滑條件很難保證，以至密封環(huán)端面發(fā)生非正常摩擦磨損，降低其使用壽命。 浸油端面方孔機(jī)械密封是在端面造型機(jī)械密封基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新型的流體動(dòng)壓型非接觸機(jī)械密封，與普通密封相比，不僅具有更加優(yōu)良的密封性，更能達(dá)到良好

3、的端面摩擦狀況，保證密封的穩(wěn)定運(yùn)行，極大地延長(zhǎng)密封的壽命.浸油端面方孔機(jī)械密封的研究國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)報(bào)道，至今未有商品化的產(chǎn)品面世。,解析求解密封端面液膜壓力,數(shù)值求解密封端面液膜壓力,分析參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響,解析求解密封溫度分布,研究意義,,,,,提出油膜壓力解析新算法，并優(yōu)化參數(shù)提高摩擦學(xué)性能,奠定設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)，降低制造成本,二、浸油端面方孔機(jī)械密封流體力學(xué)分析,圖2.1 端面方孔的密封環(huán) 圖2.2 端面開(kāi)方孔示意

4、圖,工作原理 浸油端面方孔機(jī)械密封其工作原理為：隨著密封運(yùn)轉(zhuǎn)潤(rùn)滑油內(nèi)部產(chǎn)生的粘性剪切力帶動(dòng)潤(rùn)滑油從方孔內(nèi)向孔外間隙運(yùn)動(dòng)，從而形成了潤(rùn)滑油的流動(dòng)，由于潤(rùn)滑油流動(dòng)的收斂性而使壓力增加，從而產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)。當(dāng)潤(rùn)滑油的動(dòng)壓力和環(huán)境壓力共同作用形成的密封開(kāi)啟力超過(guò)閉合力時(shí)，使兩密封端面完全分離處于非接觸狀態(tài)，并在密封端面間形成一層穩(wěn)定連續(xù)的油膜，此時(shí)密封端面間的摩擦為流體摩擦，且在密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，貯存潤(rùn)滑油的方孔

5、能夠不斷地提供潤(rùn)滑油，保證端面的流體摩擦狀態(tài)，進(jìn)而極大地改善密封端面的摩擦狀態(tài)，延長(zhǎng)密封使用壽命,,（a)孔欄和邊界分布示意圖 (c)方孔幾何參數(shù) 圖2.3 具有方孔的密封表面示意圖,（a)孔欄和邊界分布示意圖 (c)方孔幾何參數(shù) 圖2.3 具有方孔的密封表面示意圖,（a)孔欄和邊界分布示意

6、圖 (c)方孔幾何參數(shù) 圖2.3 具有方孔的密封表面示意圖,(b) 控制單元示意圖,根據(jù)浸油端面方孔機(jī)械密封的工作原理可知，該機(jī)械密封為流體動(dòng)壓機(jī)械密封，所以可以采用流體膜潤(rùn)滑穩(wěn)態(tài)雷諾控制方程。,確定了壓力和液膜厚度等邊界條件，就可以進(jìn)行浸油端面方孔機(jī)械密封的解析研究、數(shù)值分析和參數(shù)研究。,三、油膜壓力的解析計(jì)算,(1)徑向端面平均壓力分

7、布　 開(kāi)孔部分的徑向液膜平均壓力為：,未開(kāi)孔部分的徑向平均液膜壓力為：,（2）周向端面平均壓力分布,,算例驗(yàn)證,圖3.1 端面液膜周向壓力分布,圖3.2 不同壓差下方孔深度對(duì)摩擦力影響,另通過(guò)一具體密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行算例驗(yàn)證，得到：,端面液膜徑向壓力平均分布 端面液膜周向壓力平均分布 根據(jù)壓力分布情況計(jì)算得到徑向端面密封環(huán)開(kāi)啟力=131.109N周向端面密封環(huán)開(kāi)啟力=130.048N;文獻(xiàn)開(kāi)啟力F=138.

8、702N。,四、浸油端面方孔機(jī)械密封摩擦學(xué)性能參數(shù)計(jì)算,本文用有限差分方法求解極坐標(biāo)形式的液膜潤(rùn)滑穩(wěn)態(tài)雷諾方程：,可以得到端面間的壓力分布，利Mathcad計(jì)算機(jī)軟件編制相應(yīng)的計(jì)算程序。,推得壓力迭代計(jì)算表達(dá)式為：,式中：,程序驗(yàn)算,三維壓力分布對(duì)比,（a）有限差分法三維壓力分布 （b）文獻(xiàn)三維壓力分布,操作參數(shù)對(duì)開(kāi)啟力影響對(duì)比,五、摩擦學(xué)性能計(jì)算結(jié)果分析與討論,膜厚度分布,端面間壓力分布,（1）液膜三維壓力分布,(a) 介質(zhì)

9、為潤(rùn)滑油 (b) 介質(zhì)為水 圖5.2 有壓差單個(gè)孔欄三維壓力分布,(a) 介質(zhì)為潤(rùn)滑油 (b) 介質(zhì)為水 圖5.3 無(wú)壓差單個(gè)孔欄液膜三維壓力分布,,（2）端面間二維平均壓力分布,(a) 介質(zhì)為潤(rùn)滑油 (b) 介質(zhì)為水

10、 圖5.4 有壓差周向平均壓力分布圖,(a) 介質(zhì)為潤(rùn)滑油 (b) 介質(zhì)為水 圖5.5 有壓差周向平均壓力分布,(a) 介質(zhì)為潤(rùn)滑油 (b) 介質(zhì)為水 圖5.6 無(wú)壓差徑向平均壓力分布,(a) 介質(zhì)為潤(rùn)滑油

11、 (b) 介質(zhì)為水 圖5.7 無(wú)壓差周向平均壓力分布圖,不同操作和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響,（1）轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦學(xué)性能的影響,（2）介質(zhì)粘度對(duì)摩擦學(xué)性能的影響,（3）非孔區(qū)膜厚對(duì)摩擦學(xué)性能的影響,（4）開(kāi)孔深度對(duì)摩擦學(xué)性能的影響,六、密封端面平均溫度和溫度場(chǎng)計(jì)算及結(jié)果分析,機(jī)械密封的端面溫度的確定與控制是機(jī)械密封最關(guān)鍵的技術(shù)之一，降低端面溫升能夠有效的保證機(jī)械

12、密封運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性及延長(zhǎng)其使用壽命。,機(jī)械密封環(huán)與翅片在形狀上類似，因此將翅片理論求解機(jī)械密封的溫度分布并推導(dǎo)其端面平均溫度和溫度場(chǎng)分布式。 密封環(huán)接觸端面平均溫度計(jì)算公式為：,浸油端面方孔機(jī)械密封溫度場(chǎng)計(jì)算公式為：,算例驗(yàn)證,不同參數(shù)對(duì)端面平均溫度的影響,不同參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響,（1）介質(zhì)粘度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響,介質(zhì)粘度對(duì)動(dòng)環(huán)溫度分布影響 介質(zhì)粘度對(duì)靜環(huán)環(huán)溫度分布影響,（2）轉(zhuǎn)速對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響,轉(zhuǎn)速對(duì)動(dòng)環(huán)溫

13、度分布影響 轉(zhuǎn)速對(duì)靜環(huán)環(huán)溫度分布影響,（3）非孔區(qū)膜厚對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響,非孔區(qū)膜厚對(duì)動(dòng)環(huán)溫度分布影響 非孔區(qū)膜厚對(duì)靜環(huán)溫度分布影響,（4）開(kāi)孔深度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響,開(kāi)孔深度對(duì)動(dòng)環(huán)溫度分布影響 開(kāi)孔深度對(duì)靜環(huán)溫度分布影響,七、結(jié)論,1.相同工況條件下，解析和有限差分所得壓力分布情況及對(duì)摩擦學(xué)性能參數(shù)影響基本一致。 2.壓差大小、介質(zhì)特性對(duì)液膜壓力三維分布情況有著直接影響。

14、3.密封環(huán)轉(zhuǎn)速越大，開(kāi)啟力、液膜剛度、泄漏率、摩擦力矩和摩擦系數(shù)呈線性越大；介質(zhì)粘度越大，密封開(kāi)啟力、液膜剛度、摩擦力矩和摩擦系數(shù)越大，泄漏率越小，當(dāng)粘度 Pa·s時(shí)，泄漏率降低趨勢(shì)基本平緩；非孔區(qū)膜厚 ，開(kāi)孔深度在 范圍時(shí)，具有較好的摩擦學(xué)性能。,4.在相同介質(zhì)粘度、轉(zhuǎn)速和端面膜厚的條件下，端面方孔機(jī)械密封比普通機(jī)械密封具有更低的端面平均溫度；端面方孔機(jī)械密封的端