（机械制造及其自动化专业论文）机械密封表面激光造型动压润滑性能的数值分析.pdf

江苏大学硕士研究生学位论文 摘要 机械密封表面造型对密封的工作性能以及使用寿命等特性具有决定性影响。用 激光进行机械密封表面造型已成为今年来研究的热点之一。对机械密封表面不同造 型及其造型参数优化的研究，不但对完善润滑理论有着重要的意义，而且对实际生 产有着巨大的实用价值。 本文在综合国内外大量文献资料的基础上，着重对机械密封表面激光加工凹腔 造型及其螺旋槽造型的动压润滑性能进行了分析研究。 一方面，本文对激光加工的机械密封表面实际凹腔造型进行具体分析，深入分 析了机械密封润滑摩擦中的影响因素，并进行合理的简化和近似，提出了锥形凹腔 造型动压润滑的物理模型。在物理模型的基础上建立了适用于凹腔造型分析的数值 计算模型，并确定了数值计算模型的初始条件和边界条件。数值计算模型的建立将 机械密封表面凹腔造型润滑摩擦问题转化为r e y n o l d s 控制方程和油膜厚度方程组 成的高度非线性数学问题。利用有限差分法进行离散，通过g u a s s - - s e i d e l 线松弛迭 代求解数值计算模型。采用多重网格法加速解的收敛，提高解的准确性。并在此基 础上编制了可用于分析计算机械密封动压润滑性能的c 语言数值计算程序，得到了 造型表面三维膜厚和压力分布图。分析了操作参数和端面造型参数对密封性能的影 响，通过大量的数值计算表明：凹腔半径1 和凹腔深度对密封性能影响显著，适 宜的取值范围为：o 2 5 1 o 4 、3 订。 另一方面，为激光加工的单螺旋槽( 内、中间、外开槽) 型和双螺旋槽( 内外 开槽) 型建立了极坐标下的数值计算模型，确定了数值模型的初始条件和边界条件， 并采用多重网格法进行求解。编制了c 语言数值计算程序，得到了各种螺旋槽上的三 维膜厚和压力分布图。研究表明；槽数i g 、槽深比r i g 对密封性能影响显著而螺旋 角口对泄漏量影响比较显著，而各种螺旋槽槽型的几何参数适宜的取值范围为 1 0 n g 1 8 ，1 5 h g 2 5 ，1 0 0 龟，奄，乜每，龟每， 图4 6 膜厚与无鬃纲压力的变化 程速度、矫载祷、油膜糨度等外赛条件不变葬重，溜膜篷力随着膜嚣值髂交大丽 逐渐变小，并且减小很快。曲线斜率的绝对值即为油膜刚度值。由图可以看出在不 弱既越腔半径积嬲腔深度对，麴线豹变化趋势是相两豹，殛在膜厚值较小时，曲线 斜率的绝对值较大，帮油膜两g 度较大，随着膜厚的增加，滟膜剐度逐渐变小。结论 进一步验证了凹脓的尺寸在膜厚较小时对茏凝纲压力影响比较大，在膜厚较大时影 响毙较小。联以东讨论其它参数值慰无量缨_ 鑫貘压力影虢爨寸，选择骥彤强o 1 ，这 样躐察其他参数德对无量纲油膜压力豹影响时比较明显。簧说明的是；由于在班下 模拟中膜厚是给徽的，以下刚度的大小可由在相同膜厚条件下，承载力的大小来表 示。在貘厚不交鼹，承载力越丈则剥疫越丈，承载力越奎粼嬲度越夺。 4 l 江苏丈学硕士研究生学位论文 4 1 2 环境压力对无量纲油膜压力的影响 ( 1 ) 在内压力为0 、外压力变化( 从o 1 1 ) 凹腔半径( r ，：0 3 5 ) 、深度( 以1 5 ) 不变时，如图4 7 为沿密封环径向方向六凹腔三维压力分布图( p i n = 0 ，f k = o 5 ) ， 图年8 为六凹腔二维无量纲压力。 图4 7 六凹腔三无量纲压力图4 8 六凹腔二维无量纲压力 ( 3 ) 选择最靠近内径的凹腔进行分析当p i n = 0 ，只。从0 1 变化到1 时的三维 压力分布图如图4 9 所示。 图4 - 9 为单凹腔三维无量纲压力分布图 ( 5 ) 选择最靠近内径的凹腔进行分析当p i n = 0 ，艺。从0 1 变化到1 时的二维 压力分布图如图4 1 0 所示。 江苏大学硕士研究生学位论文 图4 - 1 0 为单凹腔二维无量纲压力分布图 由图4 - 9 图4 - 1 0 可以看出当内外压力差逐渐增大时，凹腔上产生的无量纲压 力逐渐减小，且在凹腔上产生的压力最大值也逐渐减小，并且均出现在靠近凹腔外 侧的位置，即流体压力较高的一侧。从无量纲压力分布情况可以看出，外界压力差 约小，凹腔上无量纲压力分布曲线的变化约明显，说明凹腔产生的动压效应越明显； 反之，随着无量纲内外压差逐渐增大，凹腔上产生的无量纲压力逐渐减弱，直至压 力曲线接近直线，说明凹腔基本失去作用，因此可以判断，无论机械密封表面凹腔 结构如何变化，端面压力超过一定值，凹腔就不会产生动压效应，此时凹腔只是做 为储油槽和储屑槽的作用了。 总之，当无量纲密封间隙由小变大时，无量纲压力逐渐减小，其压力最大值也逐 渐减小，且均出现在靠近密封面压力大的一侧，即流体压力较高的一侧。从无量纲 压力分布情况可以看出，无量纲密封间隙越小，无量纲压力越大，说明凹腔动压效 应越明显；反之随着无量纲密封间隙的增大，无量纲压力曲线的弯曲程度减小，凹 腔的动压效应逐渐减弱，直至压力曲线接近直线，说明凹腔基本失去作用。因此可 以断定，无论端面凹腔结构如何变化，密封间隙超过一定值时，凹腔就不会产生动 压效应。所以我们在内外压力差为0 的时候考察凹腔效果，以下的讨论只是在凹腔 压力差为0 的时候进行的。 从图中还可以看出，当内外压力差大于0 5 的时候，无量纲压力接近于密封面 上没有凹腔的情况，说明动压效应已经非常不明显。因而要获得较大的密封端面油 膜压力，必须维持较小的膜厚，但要实现密封端面的非接触，端面间的油膜厚度应 能够使得密封端面的微凸体不接触。 密封间隙不仅影响密封面无量纲平均压力的大小，而且还决定密封端面的摩擦、 润滑状态。对于普通光滑端面机械密封，由于在假设条件下，密封面间的液膜压力 呈线性分布，所以其无量纲平均压力为密封面内外两侧无量纲流体压力的算术平均 值，即无量纲密封流体压力p i 与无量纲环境压力p o 的算术平均值。对于带凹腔的 密封面，随着无量纲流体压力增大，无量纲平均压力也呈线性增加的趋势，与光滑 江苏大学硕士研究生学位论文 密封面上的无量纲平均压力的变化规律相同，但是由于凹腔产生的动压效应，因此， 凹腔端面问的无量纲平均压力比光滑密封面上的无量纲平均压力要大。 这是由于在流体压力较小时，凹腔的发散区域产生空化现象，收敛区域使液膜 的压力增大，而随着介质压力的增加，空化现象逐渐减弱直至消失，此时密封面上 产生的液膜动压力很小，密封面上的压力主要为流体的静压力。 4 1 3 无量纲操作参数五对无量纲压力的影响 i1 2 u 朐r p 由无量纲操作参数丑的定义( p 0 ) 可知，在凹腔半径和环境压力均 为固定值时，无量纲操作参数旯与流体介质的粘度和密封端面问的相对滑动速度成 正比，而粘度越大、密封端面间的相对滑动速度越大，则流体的动压力越大。因此， 流体介质的粘度越大、密封环的旋转速度越高，密封端面间无量纲压力越大，说明 密封面间的动压效果越明显。无量纲操作参数五减小时流体动压效应减小。因此， 流体的无量纲操作参数a 越小，密封面上的动压效应越弱。 4 2 凹腔的结构参数对无量纲油膜压力的影响 a 4 2 1 凹腔半径( 占有率o ，) 对无量纲油膜压力的影响 凹腔面积占有率s p 是造型后密封表面的一个主要结构参数，其大小对密封性 能有很大的影响。在程序中我们输入凹腔半径尺。的值来代替凹腔面积占有率。图 4 一儿，4 一1 2 ，4 1 3 给出了不同凹腔半径下无量纲压力在凹腔单元上的三，二维分布 情况。此时在其它操作参数不变的情况下，选凹腔深度h p - - 5 。 ( 1 ) 图4 一1 1 给出了不同凹腔半径下无量纲压力在凹腔单元上的三维分布情况。此 时在其它操作参数不变的情况下，选凹腔深度h p - - 5 。 江苏大学硕士研究生学位论文 图4 一1 1 凹腔上无量纲压力随凹腔半径变化的三维图 图4 - 1 2 给出了不同凹腔半径下无量纲压力在凹腔单元上的二维分布情况。 图4 - 1 2 凹腔上无量纲压力随凹腔半径变化的二维图 ( 2 ) 图4 1 3 给出了不同凹腔半径下无量纲压力在凹腔单元上的无量纲压力最大值 情况。此时在其它操作参数不变的情况下，选凹腔深度i - i p = 5 。 江苏大学硕士研究生学位论文 图4 1 3 凹腔上无量纲压力随凹腔半径变化图 ( 系列1 为深度为2 ，系列2 为深度为5 ，系列3 位深度为8 ) 由图可知，凹腔半径r 。在凹腔深度不变的时候，r 。如4 无量纲压力p 随着凹 腔半径的增大而增大；当凹腔半径r 。 o 4 无量纲压力有下降的趋势，但总体来说 d 0 3 cr 。 o 2 的时候，由于收到边界条件 的限制，单元右侧速度方向的等压线密度比较大，但是最大值受的影响不大。 4 2 2 凹腔深度h p 对无量纲油膜压力的影响 凹腔深度是密封面上关于凹腔的又一主要结构参数，其大小对密封性能也有很大 影响，图4 - 1 4 、图4 1 5 是在不同凹腔深度下单元上无量纲压力的二维、三维分布 情况。由图可知，当凹腔深度在h p 3 范围时，无量纲压力随着凹腔深度的增大而减小。 ( 1 )图4 - 1 4 、是在不同凹腔深度下单元上无量纲压力的二维分布情况。 图4 一1 4 深度变化时凹腔上无量纲压力分布二维分布图 ( 2 ) 图4 - 1 5 、是在不同凹腔深度下单元上无量纲压力的三维分布情况 髓苏大学硬磺巍生学位论文 o ) h p = l ( b ) h p = 3 ( c ) h p = 5c d ) h p = 7 ( e ) h p = 9 ( f ) h p = l l ( g ) h p = 1 3 ( h ) h p = 1 5 潮4 - 1 5 深度燹他时凹腔上无缀纲压力分布三维分布图 经过大量翡模羧可褥出不鬻半径条释下麓腔深度辩纛蘩纲压力豹彩酶规律。懿 图4 - 1 6 所示。由豳可知当深度不同时，对予不同半径( o 1 5 、0 3 5 、0 4 5 ) ，无量纲 压力缒着凹腔深度的变化规律楣同，但数俊大小不同。黻腔深度夺予3 时，随着凹 腔滚度盼增热，冤量绣压夯增翻并且达委最大值；之鑫森凹腔深度大予3 对，无爨 纲聪力随着深度的增加而减小。并且在半径为0 3 5 、凹肷深度变化时的整个单元上 的笼量缨压力较大。 ( 3 ) 餮4 - 1 6 是纛不鬻半径下，鹫腔涤度交纯辩擎元上琵豢绣压力斡交铯倩嚣。 4 ，3 零耄小结 璃4 - 1 6 不弼深度韩蟹腔上无案纲蓝力分布黧鳢分布零 ( 三个系列半径依次为0 1 5 ，0 3 5 ，m4 5 本章在激光加工多孔端面机械密封动力学分析模型潦础上，采用多重网格法对 江苏大学硕士研究生学位论文 密封端面间液膜进行数值分析，研究了操作参数和结构参数对密封面间无量纲压力 影响规律，分析结果表明： l 操作参数名对压力有显著影响。压力随着操作参数增大呈线性增加，即提高 密封流体粘度、增加密封环转速可明显地提高凹腔端面机械密封的动压效应。 2 密封间隙越小，压力越大，因此，要获得较大的密封端面液膜压力，必须维 持较小的膜厚。 3 压力随密封流体压力的增大而增大，但流体压力越大，带凹腔密封面上的最 大压力越接近于光滑表面上的最大压力，表明随着流体压力的增加，密封面上的动 压效应减弱。但考虑到实际工况，凹腔可做为储油槽和储屑槽使用。 4 凹腔的几何参数对润滑性能存在着很大的影响，本章通过对锥形凹腔造型的 截面尺寸、造型的凹腔深度，结合实际的工况要求，优化微细造型的几何参数。无 量纲b 和凹腔深度h e 两者存在最佳值，当彤= o 2 5 0 4 ，以= 3 7 时密封端面 间液膜的无量纲压力最大。 敬苏大学硕士研究生学位论文 第五章浅螺旋槽流体动压机械密封性能数值分析 为便于分析不同密封端面结构( “上游裂送”、端面双螺旋槽等结构) 的密封性 能，本章所设计的程序平台也阿对“上游泵送”单槽( 内歼槽型、中f 司开槽型、外 舜攒麓) 帮弱蠢双稽( 内癸嚣拣) 等结构类麓瓣参数纯臻器瓤藏密封鹣链挠透露模 拟。 江苏大学激光微成型室利用激光技术在s i c 和机械密封表面成功加工出螺旋稽 魏下强。囤 l ，2 分嗣显示了在s i c 密封舔耪不锈键( 镰会金) 表瑟臻溃瑟内铡 加z 出浅的宏观浆送螺旋槽。深度可以控制在l l o u m 嚣秘l 嚣壤瑟肉铡其毒螺旋疆的s i c 密封环及茭蔺邦藏丈嚣 图5 - 2 环内侧具有螺旋槽的不锈钢表面堆焊密封环及冀局部放大嘲 芩章仅借鉴第二章对单凹腔建立的模型对渐开线形内、外、中问、内外径开螺 麓穰囊税藏密羹强遗行分褥。以下绫蠹螺旋穰为爨建立蝶旋稽豹模型。 5 1 表面浅螺旋槽动压润滑模型 强s 一3 是枫羧密封鹣麓攀示意图，其巾r 辉为动换，d 环为静止环。获环表露 经避激光加工，裘瑟具有规燹| j 摊列盼造型。 江苏大学硕士研究生学位论文 图5 机械密封工作示意图 r 环是具有螺旋槽的机械密封表面，螺旋槽均匀分布在工作表面上。由于整个结构呈 循环对称结构，根据物理模型的循环对称条件1 7 3 1 1 7 4 1 螺旋槽密封结构中存在一循环 对称轴和周期角，当结构绕此轴旋转任意周期角时，旋转前后的两个结构完全重合， 物理参数和边界条件也完全重合，由此可知在整个密封区域内螺旋槽沿周向循环对 称分布，可以选取某个典型区域来计算该模型的密封状况。一个周期区域的边界条 件不仅包含原始边界条件，而且也包含周期与周期之间的联系边界，所以本节在机 械密封表面取一个螺旋槽做为研究对象，研究单一螺旋槽在机械密封工况下对性能 的影响这与文献【7 4 1 选取的计算单元相同。图5 - 4 是r 环表面螺旋槽示意图和径向单列 的结构图。 矿飞 起 易 岁 ( a ) 螺旋槽密封表面 ( b ) 单螺旋槽示意图 ( c ) 螺旋槽截面图 图5 4 机械密封r 环表面螺旋槽示意图 卯 江苏大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 机械密封中油膜厚度定义： 一落k 尝茎瑟 ( 5 1