（流体机械及工程专业论文）端面微凹腔液体机械密封内流场数值模拟及试验研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 机械密封以其多方面的优越性在流体机械等领域得到广泛应用。 随着工业快速发展和环保、节能、安全、高效等要求的不断提高，改 善机械密封性能，提高使用寿命已是多年来国内外学者密切关注和研 究的主要课题。为了提高机械密封端面间的密封、润滑性能，人们将 表面造型技术应用于机械密封，并已成为当前密封研究的热点之一和 今后研究和发展的新方向。 本文以带有端面微凹腔造型的液体机械密封为研究对象。利用先 进的激光表面微造型技术( l s t ) 在s i c 密封环表面进行微造型，得到的 具有规则微凹腔的密封端面。基于具与微凹腔端面的密封间隙几何结 构特征和流体流动理论，分析密封润滑机理，建立内部流体动压理论 模型。应用f l u e n t 软件对密封间隙内流场进行数值模拟，得到不同转 速、不同介质压力条件下的液体膜压力、速度和剪切力的分布。深入 分析了液体膜形成和内部流动特征，以及对密封、润滑性能的影响关 系，并通过流体机械密封性能试验结果进行对比、分析和验证。研究 表明：端面微凹腔造型的密封环产生动压效应可使摩擦明显降低；本 研究范围内，相同介质压力下，在2 2 5 0 r p m 附近可获得最大动压效应， 试验与模拟结果均说明此时摩擦扭矩最小；单凹腔时产生的动压效应 随着介质压力的增大而增大，未出现空化现象，但存在低压区，使沿 泄漏方向( y 方向) 通过凹腔的液流速度降低，有利于减少泄漏；相邻凹 腔之间存在相互影响，凹腔效应的叠加会使动压效应更加明显；凹腔 i 江苏大学硕士学位论文 的存在使凹腔径向下游出现剪切力明显降低区域；凹腔效应对于低介 质压力下剪切力的影响比高介质压力时明显，即随着介质压力的增大， 端面微凹腔产生的润滑优势相对减弱。端面平均剪切力随介质压力的 上升而增大，这是由于密封端面的闭合力增大，密封端面所承受的比 载荷增大所导致。 关键词：机械密封，激光表面微造型，内流场特性、动压润滑，c f d 数值分析 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e c h a n i c a ls e a li sw i d e l yu s e di nt h ef i e l do ff l u i dm a c h i n e r ya n do t h e r sw i t hi t s m a n ya d v a n t a g e s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti ni n d u s t r i a l ，a n dt h er e q u i r e m e n t si n e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，e n e r g ys a v i n g , s a f ea n de f f i c i e n ti m p r o v e d ，i m p r o v et h e m e c h a n i c a ls e a lp e r f o r m a n c e ，e x t e n dt h es e r v i c el i f eh a v eb e c o m eak e yi s s u ef o rm a n y s c h o l a r sp a yc l o s ea t t e n t i o nt oa n ds t u d yo v e ry e a r s i no r d e rt oi m p r o v et h es e a la n d l u b r i c a t i n gp e r f o r m a n c ei ns e a l i n gs u r f a c e ，p e o p l eu s es u r f a c em o d e l i n gt e c h n o l o g yi n m e c h a n i c a ls e a l ，a n dt h i st e c h n o l o g yh a sb e c o m eo n eo ft h er e s e a r c hf o c u sa n dt h e d i r e c t i o no ff u t u r ed e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e rw et a k el i q u i dm e c h a n i c a ls e a lw i t hs u r f a c em i c r o - p o r o u sa ss t u d y o b j e c t a d o p t i n ga d v a n c e dl a s e rs u r f a c et e x t u r i n ga n du s i n gt h e l a s e rp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , a ne x p e r i m e n to fl a s e rm o d e l i n gt e c h n o l o g yo ns i cs a m p l eh a sb e e nm a d e a n dt h ei n f l u e n c eo fl a s e rp a r a m e t e r s h i g hq u a l i t yo fm i c r op o r e sa n do nt h e m e c h a n i c a ls e a lr i n gf a c eh a sb e e ns u c c e s s f u l l yp r o c e s s e d b a s eo nt h em i c r o p o r o u s w i t hg e o m e t r yc h a r a c t e r i s t i c so ne m e r g i n a t eg a pa n df l u i df l o wt h e o r y , s e a l e d l u b r i c a t i o nm e c h a n i s m ，a l li n t e r n a lm o d e lo fh y d r o d y n a m i ct h e o r y m a k eu s eo ff l u e n t t os i m u l a t et h ef l o wf i e l d ，t h e ng e tt h ep r e s s u r e ，v e l o c i t ya n ds h e a rf o r c ed i s t r i b u t i o n u n d e rd i f f e r e n t s p e e d ，d i f f e r e n tm e d i u mp r e s s u r e d e p t ha n a l y s i s t h e f l u i df i l m f o r m a t i o na n di n t e m a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c s a sw e l la st h er e l a t i o nw i ms e a l i n ga n d l u b r i c a t i n gp r o p e r t i e s t h er e s u l t sw e r ec o m p a r e d , a n a l y s i sa n dv e r i f i c a t i o nf r o mt h e t e s t t h er e s u l t ss h o wt h a t ：m i c r o - p o r o u sw i t ht h es e a l i n gr i n gd y n a m i cp r e s s u r ee f f e c tc a n p r o d u c et h ef r i c t i o ns i g n i f i c a n t l yl o w e r ；w i t h i nt h es c o p eo ft h i ss t u d y , t h em a x i m u md y n a m i c p r e s s u r ew a sa c h i e v e dn e a r2 2 5 0 r p m o nt h es a m em e d i au n d e rp r e s s u r e ，b o t ht h et e s ta n ds i m u l a t i o n o ft h er e s u l t ss h o w e dt h es m a l l e s tf r i c t i o nt o r q u ea tt h i st i m e ；as i n g l ec a v i t yw i t ht h ee f f e c to f d y n a m i cp r e s s u r eg e n e r a t e db yt h ei n c r e a s eo fm e d i u mp r e s s u r e ，t h e r ei sn oc a v i t a t i o np h e n o m e n o n b u th a v ea na r e ao fl o wp r e s s u r e ，s ot h a tl e a k a g ea l o n gt h ed i r e c t i o n0 d i r e c t i o n ) t h ef l o wr a t el o w e r t h r o u g ht h ec a v i t y , t h i sh e l p st or e d u c el e a k a g e ；b e t w e e nt w oa d j a c e n tc a v i t yh a v ei n t e r a c t i o n ，t h e i i i 江苏大学硕士学位论文 o v e r l a yo nt h ec a v i t yd y n a m i cp r e s s u r ee f f e c tw i l lb em o r eo b v i o u s ；t h ee x i s t e n c eo ft h ec a v i t y r e s u l t i n gi nl o w e rc a v i t yo ft h er a d i a ls h e a rs t r e s so c c u r r i n ga ts i g n i f i c a n t l yl o w e rr e g i o n ；t h ee f f e c t o ft h el o wd i e l e c t r i cc a v i t yu n d e rt h ep r e s s u r eo ft h ei m p a c to fs h e a rs t r e s sm o r eo b v i o u st h a nt h e l l i g hp r e s s u r em e d i a , w i t ht h ei n c r e a s eo fm e d i u mp r e s s u r eo ft h em i c r oc a v i t ye n de d g el u b r i c a n t p r o d u c e db yt h er e l a t i v ew e a k e n i n g t h ea v e r a g es h e a rs t r e s sf a c er i s i n gp r e s s u r ew i t ht h ei n c r e a s e o fm e d i a ，t h i si sd u et ot h ec l o s u r ef o r c es e a lf a c e si n c r e a s e s ，8 0s e a l sa r ee x p o s e dm o r et h a nl o a d i n c r e a s e s k e yw o r d s ：m e c h a n i c a ls e a l ，s u r f a c em i c r o m o d e l i n gw i t hl a s e r ，f l o wf i e l d c h a r a c t e r i s t i c s ，h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ，n u m e r i c a la n a l y s i s c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 江苏大学硕士学位论文 英文符号 啊，吃 羁，尺2 v 刁 d q t a t a 。 温度 密封面面积 常数 外部体积力 凹腔半径 雷诺数 流体粘性应力 单位质量力 主要符号说明 重力加速度 流体作用在某点处的速度 时间 密封面内、外圆间隙 密封环内、外半径 密封面平均周速 半径之比 腔内间隙密度 内圆柱角速度 泰勒准数 临界泰勒准数 i q 临界流量 x ，y ，z 三维坐标变量 液体膜压 旋转速度 转矩 幂指数 雷诺应力 凹腔分布密度 p n m 疗 靠 & r c e 0 k f g v o 江苏大学硕士学位论文 希腊符号 介质动力粘度 视粘度 有效粘度 动能修正系数 剪切应力 内摩擦角 应变率 流体密度 启动压力梯度 边界层( 名义) 厚度 流体的运动粘度 动量修正系数 角速度 i i 下角标 ，流体连续相 p 固体颗粒相 心 心 q r d y d 五 艿 p 廖 国 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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密j o 学位敝储躲盲溉 卜年2 7 月卜日 指剥雠：晒碌 。年石月，口日 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。除文中己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。 学位敝储繇炒 f tg y ：沙k 年己月f oe l 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 机械密封是流体机械中最常见的旋转轴轴向端面密封装置，它主要通过一对 垂直于旋转轴轴线的端面在密封介质压力和补偿机构( 弹性元件) 弹力的作用下 保持贴合，并配以辅助密封而达到防止介质泄漏的目的。由于机械密封具有密封 性能好，使用寿命相对较长，对轴套几乎无磨损，耐振性强等优点，被广泛应用 于泵、压缩机、反应搅拌釜等旋转式流体机械，也用于齿轮箱、阀门、旋转接头、 船舶尾轴、火箭发动机、航空发动机的轴封装置上。机械密封结构是多种多样的， 最典型的结构如图1 1 所示。 5唾3211 0 1 静环2 动环3 弹簧4 弹簧座5 密封箱6 紧定螺钉 7 动环o 形圈8 静环o 形圈9 肪转销1 0 压盖 图1 1 典型机械密封示意图 机械密封虽然只是系统设备中的一个零部件，却起着至关重要的作用。比如在 石油化工行业中，常需输送大量具有高温、高粘度、低自燃点、高污染性等特性 的介质，此类介质一旦发生泄漏，不仅造成物质损失，还将带来严重的安全生产 问题和环境污染问题。 随着工业的高速发展，高温、高压和高速的工作状况使机械密封摩擦副端面摩 擦加剧、温升过高，给正常工作带来诸多问题。比如：高温易引起液膜汽化，造 成密封失稳，泄漏量增加；密封环内的温度梯度会使密封环产生热变形，导致形 成圆锥形的端面，不但改变了端面的接触和润滑状态，而且端面的磨损也会加剧， 江苏大学硕士学位论文 泄漏量随之增加；温度梯度还会使密封环产生内应力，当局部内应力超过材料的 许用应力时，端面会产生龟裂，使密封失效【1 1 。这些问题将严重影响密封润滑性能， 使密封件使用寿命大大缩短。而密封环的磨损、温升等问题主要取决于密封端面 间的摩擦、润滑状态。因此，对机械密封摩擦副内流场进行研究是改进、提高密 封性能的关键。 本文借助c f d 软件_ f u j e n t 强大的计算能力和成熟的模拟功能，对具有 微凹腔端面的液体机械密封内流场进行全三维数值模拟。通过计算流体力学可视 化软件的应用，使流动动态模拟更加直观，便于观察流动的形成与发展。通过求 解三维流动方程，得到腔内流体的动压分布、总压分布、速度矢量分布以及壁面 剪切力分布，进而具体分析微凹腔端面问隙内流体流动特性以及密封、润滑性能。 同时将模拟模型进行实物加工和性能试验，并与模拟结果进行对比分析，为密封 结构的优化设计提供理论依据。 1 2 带有微凹腔机械密封的研究现状 传统的接触式机械密封是在补偿机构弹性力和介质压力的作用下，使其密封 端面充分贴合，以阻止密封介质从密封端面间泄漏。在这种情况下，动静环组成 的摩擦副一般处于边界摩擦或混合摩擦状态，在高参数工况( 高温、高压、高速 等) 条件下摩擦系数较大，功耗高，磨损严重，使用寿命短，使用和维护成本较 高。2 0 世纪6 0 年代，h a m i l t o n 2 】等人开始在工件表面上a n - r _ 微细形貌来改善摩擦 副表面间的润滑状况，并认为在平行运动表面间的润滑机制的形成是建立在表面 的不规则性以及由此产生的空化现象的基础上。机械密封动静环摩擦副表面是决 定其密封性能和摩擦磨损的关键，直接关系到机械密封的功耗和使用寿命。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，在密封面加工出各种形状的几何形貌，以期实现机械密封的零泄漏和 非接触式运转，并取得了明显的进展。 关于非接触式机械密封，人们最初进行的是流体动压型机械密封的研究，主 要是受到流体动压轴承的启示。1 9 5 8 年，w h i p p l e l 3 】提出了用于螺旋槽气体止推轴 承研究的“窄槽理论”，建立了平槽面与平板间流体压力分布的模型。在此基础上， 2 江苏大学硕士学位论文 m c l a n o s k i 等1 4 1 ( 1 9 6 5 ) 及m u i j d e r m a n 5 1 ( 1 9 6 6 ) 对完善和应用螺旋槽气体止推轴承的 “窄槽理论”模型做出了重要贡献，为研究端面开槽动压型机械密封奠定了理论基 础。对于端面开槽机械密封卓有成效的研究，始于2 0 世纪8 0 年代上游泵送机械 密封的发明。1 9 8 1 年，j s e d y l 6 】受螺旋槽气体机械密封技术成功应用的启发而提出 了上游泵送机械密封的概念，从而开始形成了液体上游泵送机械密封技术，并申 请了“高压上游泵送机械密封”的专利。在1 9 8 4 年的国际泵研讨会上，jpn e t z e l 7 1 正式明确了上游泵送机械密封的概念，利用密封面上开槽将下游( 低压侧) 少量 泄漏流体泵送回上游。 除了研究宏观泵送槽来改善机械密封端面的泄漏情况，许多国内外学者在密 封端面开设微观凹腔也引起人们的重视。在国外，带有微凹腔机械密封的研究起 源要追溯到上世纪8 0 年代末，有关学者对机械密封环激光加工表面微凹腔的机械 特征和微观结构作了研究。首先k a n e n k o 于1 9 8 9 、1 9 9 0 年分别对密封材料上微孔的 静压、动压效应作了研究【8 】【9 】，发现密封材料七的微孔不仅影响端面间的静压分布， 还产生动压力。1 9 9 4 年，以色列科学家e t s i o n 等【1 0 】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。1 9 9 6 年【1 1 】，他又对锥面密封进行了广泛的研究，并提出了非接 触和零泄漏的概念。受流体动压轴承的启示，人们开始对端面改型动压密封的研 究。1 9 9 9 年，e t s i o n 对表面多孔的激光纹理液压轴承进行研究【1 2 】【1 3 】，动环为平端面 密封环，静环端面上均匀地布置着规则的微凹腔，微孔形状包括圆型、椭圆型或 圆锥型，微凹腔直径从几微米至数百微米，深度从几微米到几十微米，孔隙率仔l 面积占整个端面面积的百分数) 为5 。3 0 ，多孔端面的表面粗糙度与静环的表面 粗糙度相同。试验研究表明，在端面载荷和转速相同时，多孔端面机械密封环之 间的间隙总是大于普通机械密封环之间的间隙。端面载荷增加时，普通机械密封 环的端面间隙骤然减小，以至于端面直接接触，液膜遭到破坏，使磨损加剧。对 于多孔端面机械密封环，端面载荷增加时，端面间隙减小，液膜刚度增加，而很 小的间隙又恰好将泄漏量降低到很小，从而满足严格的机械密封泄漏要求，同时 减少了密封面的磨损。2 0 0 1 年，k l i g e r m a n 1 4 - 发现把微孔机械密封应用到气体密封 领域也是非常可取的。同年，a n d r i yk o v a l c b o n k o 和e t s i o n 1 5 】等人采用s i c d , 球在调 3 江苏大学硕士学位论文 质h 1 3 钢上进行摩擦，表明激光微孔化扩大了流体润滑的区域，将处理过的微孔 周围毛刺抛光对润滑区域的转变有利，对于试验中采用的高速、高载、高粘度的 润滑油流体动压效应更加明显。2 0 0 3 年，m a n a b uw a k u d a 16 】【1 7 】等人选用陶瓷销与 刚环对磨，刚环表面设计加工出一些微凹腔，微凹腔产生动压效应的作用结果使 得两摩擦面分开。实验表明，微凹腔的形状对摩擦力的大小影响很小，推荐一组 能够优化摩擦性能的微凹腔参数为：微凹腔直径为1 0 0 p m ，微凹腔面积密度为 5 - 2 0 之间。2 0 0 6 年，g r y k 1 8 】在活塞气缸环表面部分织构化，实验发现，织构 化接触表面的摩擦力比光滑表面降低了2 5 左右。2 0 0 9 年，n o e lb r u n e t i e r e 1 9 】对传 热进行了研究，基于c f d 计算方法给出了机械密封在试验压力下密封面热传递的 数值分析。动静环间的旋转面近似认为是层流。基于动静环整体纽赛特数的相互 关系做了一系列模拟。纽赛特数是流体的雷诺数和普朗特数的函数，像流动速率 和材料的热传导率一样，研究认为：热源来自动静环表面的接触，且依赖于环的 温度分布，冷却油流似乎不能影响纽赛特数，并通过用红外照相机测试密封的实 验结果比较，证明了数值模拟的正确性。 在国内，石油大学顾永泉等在1 9 9 0 年研制出泵出式圆弧槽液体端面密封，获 国家实用新型专利【冽。1 9 9 5 年，李宝彦【2 1 】以泵用机械密封的摩擦副材料石墨与硬 质合金配副来测定摩擦系数，引用了轴承特性系数来划分摩擦状态。实验表明， 当该特性系数大于某一定值时，为流体动力润滑，小于某一定值时为边界润滑状 态，此时摩擦系数不随端面比压变化，稳定在0 0 4 o 0 7 的范围内，摩擦系数小， 发热量小，同时泄漏量也较小。2 0 0 4 年，于新奇等【2 2 1 【2 3 1 对端面开全孔的微孔端面 机碱密封性能进行研究并做了比较系统化的试验，试验表明：转速、微凹腔深度和 微凹腔密度对摩擦扭矩和端面温升有很大的影响，对于确定的微凹腔直径，优化 微凹腔深度和微孔密度值，可使摩擦扭矩和端面温升最小。2 0 0 6 年w a n g 等【2 4 】【2 5 1 人采用s i c 密封环表面刻蚀，以提高表面的抗粘着性能，计算出当微孔的直径为 1 5 0 a n ，深度为1 3 1 4 , t u n 之间时，它的承载能力比光滑表面提高2 倍以上；实验 中发现获得最大承载能力的一组微孔参数为：微孔的直径为1 5 0 z m ，微孔深度为 1 3 39 r n ，微孔面积密度为5 0 。他们还通过实验发现不同直径的微孔对p v 值的 4 江苏大学硕士学位论文 影响不同【硐，还可以使表面润滑状态由混合润滑状态向全流体润滑状态转变。同 时，他还发现在水润滑条件下，微孔化的试样承载能力比光滑试样提高2 5 倍l 刎。 同年，彭旭东等【2 8 1 学者对激光加工密封端面的变形作了研究，利用有限元分析来 求解描述机械密封端面液膜压力的雷诺方程，得出对于不同结构材料组成( 金属、 陶、聚合物等) 的机械密封静环，密封面间变形的原因包括密封环境的压力和流 体膜压力、泄漏率、轴面刚度、每种泄漏表面刚度比；并测试不同结构密封组成 的稳定性，为提高机械密封稳定性提供了一个合适的结构。2 0 0 7 年王霄副教授等 【2 9 】基于激光造型的实际形貌，建立了激光加工端面非接触机械密封性能的数学模 型，确定了油膜控制方程及其边界条件，采用多重网格法求解无量纲化后的雷诺 方程，对静环上均匀分布的锥形凹腔的形貌进行优化。2 0 0 8 年，彭旭东等人【删又 针对激光加工端面全开孔或部分开孔机械密封表面，考虑到流体静力学、动力学 特点和密封腔流体的空化效应，给出雷诺方程求解流体压力，将伽辽金算法应用 于有限元模型，研究机械密封端面开球面微凹腔几何形状的影响。对密封面最大 开启力和最大液膜刚漏比作数值优化。结果显示，全开微凹腔机械密封端面比普 通机械密封能够在端面问产生较强的动压效应和较低的摩擦扭矩，并且可以在低 泄漏和更加稳定的工作环境中运行。因此，对于一般密封工况，推荐使用部分开 微凹腔端面机械密封。在数值模拟的研究中，2 0 0 9 年，彭旭东等人【3 1 j 用有限元的 方法解雷诺方程求出在不同的参数区域和微孔几何区域两密封面间流动表面的无 量纲压力分布。计算和分析密封表面参数，计算结果显示，最优表面是微孔呈放 射状分布并且直径是0 6 , u r n 的时候，微凹腔的面积密度是0 2 5 加3 ，深径比在 0 0 1 - 0 1 5 之间。在换热计算方法的优化方面，2 0 0 9 年，l u a n 等1 3 2 1 学者在假设流 体在密封腔内是层流，并考虑密封容积内流体流动为层流、速度随时间变化条件 下，使用f s m 方法可以同时解决动静环和密封容积内的1 1 s 方程和雷诺方程，并 提出了一个带有密封腔端面机械密封环外表面上的对流换热系数的表达式，这是 近几年来一个有价值的动静环热传导相关方程。 近2 0 年来国内外学者所做的理论、试验研究表明，与普通的接触式机械密封 相比，激光加工微凹腔端面机械密封具有以下技术优势： ( 1 ) 由于能够产生一定的动压效应，密封摩擦副处于非接触状态，端面之间能 5 江苏大学硕士学位论文 够避免直接的固体摩擦磨损，使用寿命大大延长。 ( 2 ) 密封端面间由固体摩擦变成流体摩擦可以使能耗降低，而且用于降低端面 温升的密封冲洗液量和冷却水量大大减少，提高了运行效率【3 3 1 。 ( 3 ) 无需复杂的封油供给、循环系统及与之相配的调控系统，对带缓冲液的零 逸出机械密封，缓冲液的压力远远低予密封介质的压力，且无须循环，消耗量也 小。 ( 4 ) 可以在更高p v 值、含固体颗粒介质等条件下使用。 1 3 论文的研究目的及研究内容 1 。3 1 研究目的 从以上研究现状的分析可以看出，人们为实现机械密封零泄漏、非接触高性 能要求，在机理分析、理论研究、应用可行性等方面做了大量工作，其中，对于 干气密封的研究取得了许多成果，无论在理论研究剪工程实际应用均趋于成熟， 而液体机械密封的研究进展缓慢，时至今日，零泄漏非接触式液体机械密封在工 业领域的实际应用，尚未见到。究其原因，主要是目前对液体机械密封的研究多 从摩擦、材料和机械结构角度进行，虽然已取得了许多进展，但仍未令人满意， 特别是在这种微米级间隙的特殊情况下，如何更加客观的把握内部流动特性及密 封机理，其基础理论研究相对滞后；另外液相内摩擦比气相大得多，易引起端面 较高的温升等问题，使问题更加复杂。为此，加强端面微造型液体机械密封内部 流动特性的研究是获得高性能液体机械密封的根本基础。 鉴于目前对带有微凹腔端面的液体机械密封的研究还比较少，理论研究还不 够深入，实物加工和试验研究更是缺乏的现状，本文拟以端面微凹腔造型的液体 机械密封为研究对象，着重进行内部流动特性及其与密封、润滑的关系等方面研 究，以期为零泄漏、非接触式液体机械密封的研究和开发提供一定的理论依据。 1 3 2 研究内容 本文将采用流场可视化数值模拟与实验研究相结合的方法对端面微凹腔造型 的液体机械密封内流场和密封、润滑性能进行研究，具体研究工作包括以下几个 6 江苏大学硕士学位论文 方面： ( 1 ) 综合分析当前国内外机械密封研究成果，尤其是端面微造型机械密封的机 理分析、理论模型建立、数值模拟和试验研究等研究情况，为本课题研究 提供参考和基础。 ( 2 ) 对流体机械密封静环表面微凹腔加工方案、方法及形貌特征进行分析，确 定研究对象的几何模型，并在此基础上进行理论分析，建立内部流动数学 模型。 ( 3 ) 根据表面微凹腔造型液体机械密封润滑液膜的特征，进行p r o e 建模，用 g a m b i t 进行网格划分及边界条件的设定，利用f l u e n t 计算软件进行不同 工况条件下的内流场数值模拟。 ( 4 ) 根据模拟结果，分析不同介质压力、不同转速下液体润滑膜流动的压力、 速度、剪切力等分布特征，以及它们对液膜承载能力、密封性能、润滑性 能的影响关系。 ( 5 ) 对研究对象进行实物激光加工和密封、润滑性能测试，并与模拟结果进行 对比分析。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章液体机械密封端面微造型及模型建立 2 1 密封润滑机理分析 多年来，机械密封作为动密封在各类旋转机械中得到越来越广泛的应用，也 得到了快速的发展。根据不同的要求出现了各种各样的结构，但无论哪种结构都 由以下四种部分组成【3 4 】： 第一部分是由动静环组成的密封端面，也称摩擦副： 第二部分是由弹性元件为主要零件组成的缓冲补偿机构，其作用是使密封端 面紧密贴合； 第三部分是辅助密封圈，其中有动环和静环密封圈； 第四部分是使动环随轴旋转的传动机构。 ( 1 ) 密封的实现 如图1 1 所示，轴通过紧定螺栓6 、弹簧座4 和推环带动动环2 旋转，静环1 通过防转销9 与压盖1 0 相连并固定不动，依靠介质压力和弹簧力使动静环之间的 密封端面紧密贴合，阻止介质泄漏。摩擦副表面磨损时，在弹簧3 的推动下买现 补偿。为了防止介质通过动环与轴之间、静环与压盖1 0 之间泄露，分别装有动环 密封圈7 、静环密封圈8 。 激光加工多孔端面机械密封( i _ s t - m s ) 是一种新型流体动压型机械密封，有关 流体动压型机械密封的研究工作开始于2 0 世纪6 0 年代，它们大部分属于非接触 式机械密封，其基本原理是在密封端面上加工出一定的几何形貌，如周向台阶槽、 周向斜面槽、周向槽、直线槽、三角槽、半圆形槽、矩形槽、弧形槽、t 形槽、叶 形槽、螺旋槽或其组合等。当密封运转时，这些特殊的几何结构可以产生足够的 流体动压力使密封端面保持分离。与接触式机械密封相比，非接触式机械密封有 许多更加突出的优良密封性能：由于密封工作在非接触状态，密封端面不发生接 触，因此密封产生的摩擦热很少，密封坏的寿命大大延长；密封不需要复杂的封 液或冷却等辅助系统，成本及维护费用大大降低。 l s t - m s 的典型端面形貌如图2 1 所示，密封端面上采用激光加工大量微孔， 微孔的深度和直径都是微米数量级。当密封环静止时，微凹腔内存在流体，可改 8 江苏大学硕士学位论文 善长时间不运行使端面“咬死 的状况。同时，这些流体的静压力也能作为开启 力，对启动运转时端面分离起到促进作用。当密封工作时，每个微孔都像一个微 动力润滑轴承，在孔的上方及其周边会产生流体动压力，即产生流体动压效应【3 5 】， 从而使端面保持分离，提高液膜刚度，转变密封面间的润滑状态，从而降低磨损 和发热变形。通常情况下，l s t - m s 的端面摩擦系数要比普通机械密封低得多i 蚓， 这主要是因为从摩擦状态来看，普通机械密封一般处于边界摩擦状态，而l s t - m s 则常常处于混合、甚至液体润滑状态。l s t - m s 拥有普通机械密封无法比拟的优点， 当密封端面间的润滑介质发生匮乏时，微孔可以作为润滑剂的微贮槽使其得以补 偿。另外，不论密封端面处于流体润滑状态还是干运转状态下，表面微孔均可以 起到捕捉端面磨损颗粒减少密封端面犁沟形成的作用，从而改善密封端面的摩擦 状况【3 7 】。为了保证l s t - m s 的良好工作性能，对密封端面微孔的几何参数和密封 运转的工况参数进行深入的理论研究是关键。 图2 1 激光加工多孔瑞面示意图 2 2 密封端面微凹腔的加工 2 2 1 表面激光加工工艺试验 作为表面微造型技术的根本，表面微造型加工手段的发展与应用决定了该技 术的成功与否。加工方法的优劣，体现在对加工参数的控制能力以及加工成本的 9 江苏大学硕士学位论文 高低等方面。在表面微造型技术发展过程中，形成了各种各样的加工方法，如 s c h n e i d e r 3 8 1 ( 1 9 8 4 年) 、s a k a ，a 提出的蚀刻技术【3 9 】等。目前，普遍使用的造型方 法主要有：激光表面微造型技术( 1 a s e rs u r f a c et e x t u r i n g ，l s a 3 删、反应离子蚀刻技术 ( r e a c t i v e i o ne t c h i n g ，r i e ) 4 1 1 、l i g a 技术 4 2 1 和u v 光刻技术( u v p h o t o l i t h o g r a p h y ) 4 3 】： 激光表面微造型技术的应用非常广泛，早在1 0 年前，该技术就已在磁存储界 ( 硬盘) 应用，主要用于防止在启动阶段的粘贴( s t i c t i o n ) 。以色列学者e t s i o n 对激光 表面微造型技术进行了改进和发展，并对激光表面微造型技术作了总结【4 4 】1 4 5 1 。近 年来，c h i c h k o v l 4 6 1 、y a s h k i r l 4 7 、k u a r 犍】等都对新型脉冲激光微细加工技术作了研 究。激光表面微造型技术以其制造加工微孔速度快、对环境无污染以及优良的对 微孔形状和尺寸的控制能力被认为是表面微造型领域颇为成功的造型方法。 激光加工与机械加工相比具有其独特的优越性，主要表现在： 1 1 激光加工在聚焦平面上的功率密度高达1 0 8 1 0 1 0w c m 2 ，即使这些能量损 失9 0 ，也足以使各种材料( 包括陶瓷熔化或汽化，几乎可以加工任何材料，包括 硬质合金、陶瓷、石英、金刚石等硬脆材料都能加工，这就是激光应用于材料加 工的依据。 2 ) 激光光斑大小可以聚焦到微米级，甚至是波长级，因而产生极高的功率密 度，输出功率可以调节，因此可以用于精密微细加工。 3 ) 加工所用的工具是激光束，是非接触加工，所以没有明显的机械力，没有 工具损耗问题，且加工速度快、热影响区域小，容易实现加工过程自动化。 4 ) 激光加工是一种瞬时、局部熔化、气化的热加工，影响因素很多，因此， 精微加工时，精度尤其是重复精度和表面粗糙度不易保证，必须进行反复试验， 寻找合理的参数，才能达到一定的加工要求。由于光的反射作用，对于表面光泽 或透明材料的加工，必须预先进行色化或打毛处理。 激光加工技术有效地利用了激光的优异性能，正在改变着以往的加工和生产 方式，使生产效率大幅提高，是机加工中最具有竞争力的一种替代手段，在激光 应用中占有重要的地位。但是激光微细加工，目前尚具有一定的挑战性，其原因在 于激光加工影响因素很多。在进行精细加工时，精度和表面粗糙度不易保证，一般情 1 0 江苏大学硕士学住论文 况下会产生微裂纹，残渣堆积等现象。为了尽可能减少和消除这些不利因素的影响， 奉研究采用“单脉冲同点间隔多次 4 9 1 1 5 0 1 激光微造型新工艺新方法，对机械密封环端面 进行跨尺度的几何形貌加工。这种新的工艺方法能显著减小热效应的不利影响。随 着脉冲次数的增加，微凹腔的深度箍之增大，而丌口处直径大小基奉不变。材料 的熔融、重铸现象明显减小。堆积在工件表面的残渣主要由喷射出来的材料凝固 小颗粒组成，与基体的黏附力小，容易去除，表畸加丁质量较高。系统及表面微 造型如图22 、23 所示： i ；一：嗣 - ! ：二_ 一 地攀i 圈2 2 二极管裘浦n d ：y a g 激光加上系统 嘲2 3 密封环端面激光微选型 2 2 2 表面激光微造型工艺参数 奉文采用试验设备为_ 极管泵浦n d ：y a g 激光加工系统，如图2 2 所示，激 光模式为t e m p o ，采用l h b e s t 公司特有的谐振腔技术，压缩了激光发散角，聚焦 江苏大学硕士学位论丈 能力较强，输出的光束质量极高。采用声光调0 技术产生脉冲激光输m 波长有 5 3 2 n m 和1 0 6 4 n m 两种，相应调o 重复频率为：5 1 5 k h z 和8 , - 4 0 k h z ，光束质量 系数m2 2 ，发散角小于o0 0 3 r a d ，脉宽00 0 3 m s ，重复次数7 ，电流2 15 a ，功 率1 3 w 。加i ：试样聚片js i c 材料。 在激光微造型试验叶1 ，影响微造型质量的网索很多，t 贾包括以下几个方面： 激光的输m 功率、擞光波k 、脉冲宽度、扫描速度、重复频率、重复敬数、重叠 系数、辅助气体条件和操作人员的经验等。州此，进行激光微造型试验的主要目 的是优化激光微造型的工艺参数，确定l 艺参数对加工质量和几何参数的影响规 律，从而加j 二出高质量和不同几何参数的几何形貌。 ll群誓7 i l j i l 。 i 互l ll li 图2 4 电子显微镝下单个凹腔形貌 l ，：| - 刚25 嘲2 5 x 、y 方向上的截面幽刑 图2 4 为微阳腔的平面几何形貌。图25 是圈2 4 中沿红线和蓝线的剖面幽形 从图中可阻看出，激光加工出来的凹腔井币完全符舟最优深径比的要求，并且山 于激光器的误差，锥形凹腔的锥顶存在偏移。 “ 锥 ” o 江苏大学硕士学位论文 圈 l z。_ 1 l 。 一 l l 、 。j ；、i _ 圈圈l 幽2 6 密封面凹腔排州形状 f i 彳乎彳 r 矿一、 1 曼似门“ j! ! ! i 习l 一! 一望l 幽2 7 圉2 6 中x 、y 方向上的截面图形 用电子硅微镜可以拍到加工的密封面凹腔局部排列形状，如罔2 6 所不。圈27 是隔2 6 中沿红线和蓝线所截的截面图形，可以看到加上的每个删腔半径和深度相 差不人，本文凹腔建立时的模型半径和深度取九个凹腔的平均值。图28 所示机械 密封s i c 静环加工石的形貌。 酏 o 江苏大学硕士学位论文 幽2 8 激光表面微造h 挂术在机械密封 ：的实际廊川 2 3 密封端面内部流动计算模型建立 2 3 1 密封面微凹腔几何模型 端面其有规则微凹腔的机械密封示意图如斟2 9 所示动肼：为未经激光j j u 工的 旋转方向 图2 9 端山具有规m u 微凹腔机械密封不意图 1 4 白 簧童蔷姐 江苏大学硕士学位论文 普通密封环，在静环端面上均匀分布激光加工的规则微凹腔。当动环相对静环旋 转时，会在微凹腔上及其周围区域产生流体动压效应，形成具有一定刚度和一定 厚度的液体介质润滑膜，提供了使两环分离的开启力，使动、静环密封面形成非 接触。本文主要研究端面微凹腔造型机械密封处于稳定运转时，端面间内部流体 流动特性及其与密封润滑性能的关系。在机械密封稳态运转过程中，为了便于进 行理论分析和数值计算，认为密封面间的润滑状态、流体膜厚度、载荷和磨损量 沿圆周方向是均匀的。 如图2 1 0 所示，激光加工微凹腔在密封环端面沿径向呈放射状分布。由于 密封环的端面宽度远小于端面半径，且密封环的内外径之比( 屹) 一般不大于o 7 ， 可以忽略曲率的影响，同时微凹腔的半径，n 为微米数量级，因此可以近似认为一 组径向微凹腔由两个径向边界和内外圆周边共同组成一个矩形单元，如图2 1 0 ( 2 ) 所示。以一个矩形单元为研究对象建立直角坐标系，x 轴沿圆周的切线方向，y 轴 沿半径方向，每个微凹腔位于一个假想的边_ 刍为弘x2 的正方形控制单元的中央， l u ( 1 )( 2 )( 3 ) 图2 1 0 具有规则微i n 腔密封面的几何形状 并以此来进行相应的数值计算和理论分析，如图2 1 0 ( 3 ) 所示。微l g l 腔在密封环端 面的分布密度为s p ，则有 吒= 仨 1 5 囱圈窍 江苏大学硕士学位论文 式中：s 分靠密度，； r 门腔半径，, u m ： 2 假想的一方形边长，, u m 。 2 3 2 微凹腔控制单元的p r o e 造型 时j 机械密封形状的确定1 9 9 6 午，彭旭东等人针对叫种小刚形状的微凹 腔给出各项性能参数比较结果l i f 明对于不同的微孔截面掣线对密封性能的影响 因素非常微小：所以根据2 2 2 一 j 实际加工形状束建以坟为真实的) i l l ；1 模型。 选取机械密封端面间液体为研究对象，根鼬激光加丁的几何形貌，建立啦个 微腔边界模型如i 笔| 21 1 所w i 。罔21 1 ( 1 ) f 侧锥形为律：封腔内流体边界形状，| i ； 余为机械解封动、静环阳j 隙流体膜部分。由于模型形状小规则， ；三法次生成， 所以采