机械密封端面液膜空化的研究进展

水力空化是流体机械和液压系统等旋转机械中存在的一种流体力学现象,旋转机械使用的机械密封凭借动压效应在密封端面间形成厚度为微米级别的润滑膜,而微尺度液膜产生的空化现象对机械密封的性能有着重要的影响,端面液膜空化问题成了机械密封研究的热点问题之一.为了更好地把握研究方向,从空化机理、试验研究和理论研究等3个方面分析了液膜润滑机械密封空化问题的研究现状,综合分析了宏观空化、微观空化、空化边界条件和空化算法等问题的研究进展.在对相关研究进行总结的基础上,对未来机械密封空化的研究方向进行了展望:应着重从空化理论模型、数值仿真技术、空化控制新技术和有效测量新技术等方面深入开展机械密封空化研究.     

锥面机械密封的载荷系数分析

分析了锥面机械密封载荷系数在密封环磨损过程中的变化规律以及载荷系数与液膜反压系数、弹簧比压的关系。建议静环磨损后的最大接触母线长度不超过3mm，给出了锥面机械密封中弹簧比压的设计方法。     

机械密封的工作原理

机械密封是靠一对或数对垂直于轴做相对滑动的端面,在流体压力和补偿机构的弹力(或磁力)作用下保持贴合,并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置.     

机械密封特性分析

0前言东轻公司轧板分厂的设备具有冶金机械的显著特点即自动润滑系统众多。为减少润滑系统泄露,对设备进行了改造,其中一项将输送泵的老式盘根密封改为机械密封,自己在多年的工作实践中总结出机械密封的特性和安装维护要点,更有益于指导今后的工作。     

动压型机械密封气液固流动特性及性能

为了探索动压型机械密封微间隙气液固流动特性及密封性能,建立了间隙润滑膜气液固多相流模型,对间隙流动进行数值模拟,分析槽型参数和工况参数对流动特性及密封性能的影响.研究表明:槽宽比、螺旋角和转速的增大以及槽深的减小均会使润滑膜空化区域增大;随着槽宽比、槽径比和槽深的增大,润滑膜开启力先增大后减小,最佳槽型参数值分别是槽宽比0.3~0.6、槽径比0.7~0.8、槽深6~10μm(转速高、槽深取大值),较小的螺旋角能获得较大开启力;在所研究参数内密封主要为负泄漏,转速、槽径比的增大和螺旋角的减小均会使泄漏量绝对值增大,而槽深、槽宽比的增大使泄漏量绝对值先增大后减小;总体上固体颗粒主要聚集在槽堰区及坝区内侧,槽径比减小和螺旋角增大会使固体颗粒向槽堰区聚集,易造成螺旋槽堵塞失效.     

端面规则凹坑造型机械密封综合性能的数值分析

考虑密封端面间液膜的空化现象和流体动、静压效应的相互影响,建立了端面规则凹坑造型机械密封的理论分析模型,利用多重网格法分析了在不同的密封系数下,球缺面凹坑的几何结构参数对端面间液膜开启力、摩擦转矩和液膜刚度的影响.结果表明,密封系数和微凹坑的深径比对密封性能的影响较大,密封系数越大,液膜开启力和刚度越大,存在最优的深径比使液膜开启力和刚度达到最大,且最优的深径比随着密封系数的增大而减小;面积密度对密封性能的影响不明显,存在最优的面积密度使液膜开启力和刚度达到最大,且最优的面积密度不受密封系数的影响.     

农产品加工机械性能测试系统设计

设计了一种以测试碾米机、粉碎机为主的农产品加工机械性能测试系统.该测试系统以机械装置为基础,以工业控制计算机为上位机,以PLC为主控单元,以组态王6.5为上位工控机软件开发平台,对测试系统各路传感器数据进行实时采集和显示,并对采集的数据进行分析、处理、显示、输出和保存,从而准确地测试出被测机械的主要技术性能参数.运行试验与计量测试表明,该系统测试的质量、功率、温度参数的精度为0.38%、1.0%、±0.9℃,均高于系统设计要求的0.5%、1.5%、±1℃,系统运行稳定,各项控制功能均能可靠实现.     

机械密封实验台流体温度控制系统

为了方便地控制机械密封实验台流体的温度,运用单片机作为主控机,设计了一套流体温度控制系统。主要介绍了机械密封流体温度控制的基本原理,并建立了机械密封流体温度控制的数学模型。系统软件的设计采用C语言,通过C51编译器将C程序转化为汇编语言程序。对该控制系统进行了仿真。设计结果表明,该方案是可行的并适用于其他温度控制系统,为机械密封实验台的设计提供了参考。     

基于动网格的上游泵送机械密封性能参数分析

为了准确获得上游泵送机械密封的液膜厚度,采用Pro/E软件建立螺旋槽上游泵送机械密封的三维参数化模型,应用Fluent软件的动网格技术,同时考虑空化的影响,对机械密封微间隙内流场进行了数值模拟.将得到的液膜厚度与有关文献的测试结果进行对比分析.在同时考虑空化模型和动网格技术的基础上,计算分析了工况参数对液膜刚度和泄漏量的影响.结果表明,应用动网格计算的液膜厚度与测试结果所获得的结果基本一致,最大相对误差为19.6%,最小相对误差为0,平均相对误差为8%,从而验证了动网格技术在机械密封内流场模拟中的可行性;机械密封内流场计算应当考虑空化问题,才能得到比较真实的内流场特性;液膜厚度、泄漏量和液膜刚度随着转速、介质压力的增大而增大,端面螺旋槽在产生泵送效应的同时也产生动压效应.     

激光表面织构机械密封润滑特性的试验研究

采用调Q半导体泵浦YAG激光器,利用＂单脉冲同点间隔多次＂激光加工工艺在密封环端面加工具有环形阵列分布的微凹坑织构.在机械密封计算机辅助试验装置上,进行了激光表面织构机械密封与普通机械密封的试样的对比摩擦性能试验,研究了激光表面织构技术在不同的密封介质压力和转速等工况下对机械密封的润滑特性的影响.结果表明：在试验范围内,激光表面织构技术对于改善机械密封润滑特性的作用主要受密封介质压力的影响,转速的影响则相对较小.与无织构机械密封相比,在较低密封介质压力的条件下（0.2 MPa）,激光表面织构机械密封能显著改善润滑特性,摩擦转矩最大可减小60%,转速对摩擦扭矩的影响不大.在较高密封介质压力的条件下（0.8 MPa）,转速对摩擦扭矩的影响起到较大的作用,只有当转速达到一临界值时激光表面织构机械密封才能够起到改善润滑的作用,且作用较小.     

边界滑移对螺旋槽上游泵送机械密封性能的影响

为了研究边界滑移对上游泵送机械密封性能的影响,建立液膜三维几何模型和计算模型,基于 Navier 线性滑移模型对液膜壁面边界条件进行修正,采用商用软件 Fluent 的 SIMPLEC 算法及层流模型求解三维 Navier －Stokes 方程,并分析相对滑移量对液膜静压分布、开启力、摩擦扭矩、泄漏量的影响规律。结果表明：相对于边界滑移发生的位置,滑移速度的大小对密封性能的影响更大;当相对滑移量较小时,存在边界滑移与无滑移的模拟结果无明显区别,能很好地解释宏观无滑移边界假设的应用,当相对滑移量较大时液膜动压效应随滑移的增加而减弱,开启力、摩擦扭矩、泄漏量都随边界滑移的增加而减小;相对于开启力的降低,边界滑移的减阻和降低泄漏的效果更为明显;当开启力较小,应避免边界滑移发生;当开启力足够大时,加工成超疏水表面形成边界滑移,可极大地减少摩擦扭矩,降低能耗。     

机械密封密封腔的流场及温度场

为了对密封腔内流体的温度和流场分布有直观的了解,运用FLUENT软件对密封腔内流场的温度和压力进行了数值模拟计算.计算以N-S方程为基础,采用标准k-ε方程的湍流模型,对密封运转稳定状态下,密封环温度场及密封腔内流场的温度、速度、压力分布进行了分析计算.结果表明,密封腔内流体温度变化不大,在壁面处温度有所变化;流体在壁面处的流速比其在腔体内的速度小,但流速基本是线性连续的;轴上压强分布基本平衡,但密封腔截面面积变化较大时,将造成压强局部突变.分析计算的结果与试验测试的结果,两者的误差在6%~17.5%之间,基本吻合,表明数值模拟可以对难以观察的流场内变化进行可视化计算.     

羰化循环泵的机械密封设计

针对在羰基化合成醋酐工艺装置中,国产羰化循环泵在投入使用后机械密封很快失效的情况,提出对密封选材、结构设计、型式及辅助系统布置的改造方法.从经济性方面考虑结合挂片试验结果,确定采用哈氏B2作为机械密封的结构材料,全氟醚橡胶作为辅助密封材料;将机械密封设计成两级串联集装式平衡型机械密封结构,以此防止所输送的易燃、易爆、有毒高危介质（如醋酸、碘甲烷、碘化氢、丙酸等）外漏;对密封采用PLAN32＋PLAN54＋PLAN62的冲洗方案,改善密封工作环境;首级密封静环的前面设置挡环和卡簧,控制静环轴向位移;对压力较高的次级密封的各个参数进行了合理的选取和设计,保证端面的承压能力并减少摩擦生热,从而大大提高了机械密封的使用寿命和可靠性.     

表面粗糙度对液膜润滑动压型机械密封性能的影响

以激光加工多孔端面机械密封为研究对象,建立符合Gauss概率分布的表面粗糙度模型,利用Fluent软件模拟研究了密封端面不同部位表面粗糙度对密封性能的影响规律,并通过正交试验进一步分析了不同部位粗糙度对密封性能的影响程度.结果表明:液膜开启力和摩擦扭矩随端面粗糙度、转速的增大而增大;泄漏量随端面粗糙度的增大而减小、随转速的增大而增大;3个部位表面粗糙度对开启力增大、摩擦扭矩增大和泄漏量减小的影响程度为动环凹腔区粗糙度影响最大,静环端面粗糙度影响次之,动环非凹腔区粗糙度影响最小.     

激光表面跨尺度织构化机械密封摩擦性能

采用声光调Q的半导体泵浦Nd：YAG激光器,利用＂单脉冲同点间隔多次＂激光加工工艺在碳化硅机械密封环端面进行跨尺度织构化处理,制备微凹坑织构和宏观上游泵送槽织构,用表面形貌三维测量仪测量激光加工后的试样.在机械密封计算机辅助试验台上,进行了激光表面跨尺度织构机械密封与无织构机械密封的摩擦性能对比试验,研究了跨尺度表面织构在不同的密封介质压力和转速等工况下对机械密封摩擦转矩的影响.结果表明：激光表面织构化技术能在密封环表面进行微凹坑型及微凹槽型织构的跨尺度加工.在试验的工况参数范围内,无论是在低压低速,还是在高压高速工况下,激光表面跨尺度织构均可以显著地改善机械密封的摩擦性能.与无织构机械密封相比,激光表面跨尺度织构机械密封的摩擦转矩最大可减小65%,并且运转相对较为稳定,受密封介质压力和转速的影响相对较小,这是由于所制备的跨尺度表面织构起到了改善密封端面间润滑状况的作用.     

SiC机械密封环表面微织构激光加工工艺

采用声光调Q二极管泵浦Nd:YAG激光器, 利用“单脉冲同点间隔多次”激光加工工艺, 对碳化硅机械密封试样端面进行激光表面微织构的加工工艺试验研究．采用Wyko NT1100表面形貌三维测量仪测量了微织构的几何形貌参数,分析了泵浦电流、脉冲重复频率、脉冲重复次数和扫描速度等激光加工工艺参数对微凹腔和微凹槽织构的几何形貌参数与加工质量的影响. 结果表明, 泵浦电流和脉冲重复次数对微凹腔的几何形貌参数与加工质量影响较大,而重复频率的影响则相对较小;泵浦电流、扫描速度和重复频率对微凹槽的加工质量均有较大影响. 通过优化激光加工工艺参数组合, 可以加工出较优的微观几何形貌. 加工微凹腔较优的工艺参数范围:泵浦电流为14～16 A,脉冲重复次数为1~10次; 加工微凹槽的较优工艺参数范围:泵浦电流为14～16 A,重复频率为1 500～2 500 Hz,扫描速度为8～25 mm／s.     

基于响应面法的上游泵送机械密封优化

为了找出更有效的优化方法,在考虑空化模型的基础上,以螺旋槽的几何参数(槽深h、螺旋角α、槽径宽径比β以及槽区宽度比γ)为设计变量,以泄漏量为优化目标,采用均匀试验设计法设计了50组机械密封端面槽型几何参数值,并利用CFD方法计算目标函数值,从而建立端面槽型几何参数和泄漏量的回归模型.运用Matlab软件绘制等值云图,利用响应面法分析端面槽型几何参数槽深、螺旋角、槽径宽径比以及槽区宽度比之间的交互作用对泄漏量的影响,并对机械密封微间隙内流场进行数值模拟验证,从而得到端面参数的最佳组合.研究表明:采用响应面法对上游泵送机械密封进行优化可行;螺旋槽的槽深h、螺旋角α、槽径宽径比β、槽区宽度比γ分别在6~12 μm,16°~20°,0.35~0.55和0.45~0.6取值时,能够获得更好的密封性能.