（化工过程机械专业论文）基于matlab的端面微孔机械密封性能参数计算及优化.pdf

； 1 wr+删illllilllir l l li+l i l l j y 18 8 5 6 5 4 学校代号：1 0 7 3 1 学号：0 8 2 0 8 0 7 0 6 0 0 7 密级：公开 兰州理工大学硕士学位论文 基于m a t l a b 的端面微孔机械密封性能参 数计算及优化 p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sc a l c u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o nb a s e do n m a n ，a bi nt h em i c r op o r o u ss e a l s b y s h ez h i - g a n g b e ( t i a n j i np o l y t e c h n i cu n i v e r s i t y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c h e m i c a lp r o c e s se q u i p m e n t i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rd i n g x u e x i n g m a y , 2 0 1 1 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名： 彪、 日期：护f 年1 月方日 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。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密西。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： ， 摩爱、吲 傀 日期：扣i ，年阴) 萝日 日期：沙年r 月7 日 硕十学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 引言l 1 2 流体动压型机械密封的理论研究一2 1 2 1 气相动压型机械密封的理论研究3 1 2 2 液相动压型机械密封的理论研究5 1 3 端面微孔机械密封研究进展7 1 3 1 端面微孔机械密封发展概况7 1 3 2 端面微孔机械密封理论研究进展8 1 3 3 端面微孔机械密封实验研究进展9 1 4 1 激光加工“返流泵送结构1 0 1 4 2 激光硬化密封端面1 l 1 4 3 激光加工多孔密封端面1 1 1 5 课题研究的意义1 2 1 6 课题来源与主要研究工作1 3 1 7 课题的创新点14 1 8 本章小结1 4 第2 章激光加工多孔端面机械密封的流体力学分析1 5 2 1 端面微孔机械密封典型结构、工作原理及应用。1 5 2 1 2 端面微孔机械密封的工作原理及机理1 5 2 1 3 端面微孔机械密封的应用概况一1 7 2 2 流体动压型机械密封理论基础1 8 2 2 1r e y n o l d s 方程的一般形式1 8 2 2 2 等温稳态条件下的r e y n o l d s 方程2 0 2 2 3 动压型机械密封的控制方程2 1 2 3 本章小结2 l 第3 章多子l 密封端面密封性能的理论分析2 2 3 1 端面微孔机械密封的参数2 2 3 1 1 结构参数和操作参数2 2 基于m a t l a b 的端面微孑l 机械密封性能参数计算及优化 3 2 密封性能参数2 2 3 3 泄漏量一2 3 3 3 1 多孔端面密封泄漏量的计算2 3 3 4 摩擦功耗2 6 3 4 1 密封端面间的摩擦力2 7 3 4 2 密封端面间的摩擦力计算2 7 3 4 3 密封端面间摩擦功耗的确定2 9 3 5 本章小结2 9 第4 章密封性能参数的计算及优化一3 0 4 1 理论模型3 0 4 1 1 数学变换31 4 2 液膜压力的计算结果及分析3 2 4 2 1 液膜三维压力分布3 3 4 2 2 微孔半径对无量纲压力的影响3 3 4 2 3 微孔深度对无量纲压力的影响一3 4 4 2 4 微孔密度对无量纲压力的影响3 5 4 3 泄漏量的计算与优化设计3 5 4 3 1 泄漏量与微孔深度的关系3 5 4 3 2 泄漏量与微孔深度的关系3 6 4 4 摩擦功耗的计算及分析3 7 4 4 1 摩擦功耗的计算分析3 7 4 4 本章小结3 8 结论与展望3 9 5 1 结论3 9 5 2 展望3 9 参考文献41 致谢4 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文4 7 附录b 程序4 8 n 硕十学位论文 摘要 激光加工多孔端面机械密封是一种新型密封，它是在普通机械密封的端 面上加工出微米级的小坑孔，能够实现非接触，具有良好的润滑性能和密封 性能。然而，目前对激光加工多孔端面机械密封的研究少有文献报道。本文 通过建立激光加工多孔端面机械密封的理论分析模型，采用m a t l a b 求解雷 诺方程，获得在给定工况下泄漏量、摩擦功耗等密封性能参数数值，并分析不同 微孔深度、微孔深度和微孔密度对其密封性能参数的影响规律，得到微孔深度、 微孔深度和微孔密度的最佳值。主要研究内容和结论如下： 1 建立了激光加工多孔端面机械密封的流体动力学分析模型，根据假设， 一个孔栏上的液膜压力分布可表征整个密封面上的液膜压力。将参数进行无量纲 化，采用有限差分法对激光加工多孔端面机械密封进行了详尽地分析和参数研 究，并利用m a t l a b 计算机软件得到了液膜压力、泄漏量、摩擦功耗等密封性能参 数值。 2 对激光加工多孔端面机械密封的液膜压力进行了深入研究。通过理论计 算及分析，研究了结构参数微孔半径、微孔深度和微孔密度对液膜压力的的影响。 结果表明，在给定工况条件下，对微孔深度、微孔深度和微孔密度进行优化，可 使端面间的液膜压力达到最佳值。 3 理论推导得到了激光加工多孔端面机械密封的泄漏量计算公式，并进行 了理论计算与分析，结果表明：微孔深度和微孔密度对密封端面间的泄漏量有很 大影响。因此，为了增大密封动压效应，降低能耗，减少泄漏量，微孔深度和微 孔密度应选择一合适值。 4 通过计算得到摩擦功耗的计算公式，分析得到了最佳的微孔结构参数值， 为激光加工多孔端面机械密封工程优化设计提供了可靠的理论依据。 关键词：机械密封；激光加工；端面微子l ；密封性能；优化 基于m a t l a b 的端面微孔机械密封性能参数计算及优化 a b s t r a c t l a s e r p r o c e s s i n gp o r o u ss e a l si sak i n do fn e wt y p es e a l i n g ，i ti si nt h ec o m m o n m e c h a n i c a ls e a lf a c eo fam i c r o ng r a d ei np r o c e s s i n gs m a l lp i th o l e ，c a nr e a l i z en o n c o n t a c t ，h a st h eg o o dl u b r i c a t i o np e r f o r m a n c ea n ds e a l i n gp e r f o r m a n c e h o w e v e r ，a t p r e s e n to fl a s e rp r o c e s s i n gp o r o u ss e a l sr e s e a r c hr e p o r t e d t h ef e wt h i sa r t i c l e t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to fl a s e rp r o c e s s i n gp o r o u ss e a l s ，t h et h e o r e t i c a la n a l y s i s m o d e lb yu s i n gt h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o di su s e dt os o l v er e y n o l d se q u a t i o n ，g e t i nag i v e nc o n d i t i o nl e a k a g e ，f r i c t i o np o w e rc o n s u m p t i o n ，e t c ，a n dt h es e a l i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sn u m e r i c a la n a l y s i so fd i f f e r e n tm i c r o p o r o u sd e p t h ，m i c r oh o l e d e p t ha n dm i c r o p o r o u sd e n s i t yo nt h es e a lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r s ，g e tt h ei n f l u e n c e l a wo fm i c r o p o r o u sd e p t h ，m i c r oh o l ed e p t ha n dm i c r o p o r o u sd e n s i t yo ft h eb e s t v a l u e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n de o n c l u s i o n sa r ea sf 0 l 】o w s ： 1 e s t a b l i s h e dl a s e rp r o c e s s i n gp o r o u ss e a l sf l u i dd y n a m i c sa n a l y s i sm o d e l ， b a s e do na s s u m p t i o n s ，ah o l e ”l i q u i dm e m b r a n ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o nt h r o u g h o u tt h e s e a ls u r f a c ec a nb ec h a r a c t e r i z e dt h el i q u i dm e m b r a n ep r e s s u r e w i l ld i m e n s i o n l e s s p a r a m e t e r ，t h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o do fl a s e rp r o c e s s i n gp o r o u ss e a l sp e r f o r m e d e x h a u s t i v ea n a l y s i sa n dp a r a m e t e rr e s e a r c h ，a n du s eo fm a t l a bc o m p u t e rs o f t w a r e g o tl i q u i dm e m b r a n ep r e s s u r e ，l e a k a g e ，f r i c t i o np o w e rc o n s u m p t i o n ，e t cn e n g c a n s e a l i n g h i g h e rn u m e r i c a lv a l u e 2 o fl a s e rp r o c e s s i n gp o r o u ss e a l sp r e s s u r eo fl i q u i dm e m b r a n ew e r es t u d i e d t h r o u g h t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，s t u d i e st h es t r u c t u r e p a r a m e t e r s m i c r o p o r o u sr a d i u s ，m i c r oh o l ed e p t ha n dm i c r o p o r o u sd e n s i t yt h a nt h ei n f l u e n c eo f l i q u i dm e m b r a n ep r e s s u r e r e s u l t ss h o wt h a t ，g i v e nt h ec o n d i t i o n so fm i c r oh o l e d e p t h ，a n dm i c r o p o r o u sd e p t ha n dm i c r oh o l ed e n s i t yi so p t i m i z e d ，c a nm a k et h ee n d o fl i q u i dm e m b r a n eb e t w e e np r e s s u r et oa c h i e v et h eb e s tv a l u e 3 t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o ng o tl a s e rp r o c e s s i n gp o r o u ss e a l sl e a k a g er a t ef o r m u l a ， a n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ，a n dt h er e s u l t ss h o wt h a t ：m i c r oh o l ed e p t h a n dm i c r o p o r o u sd e n s i t yo nt h es e a l st h el e a k a g eb e t w e e nh a sv e r yb i ge f f e c t t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi n c r e a s es e a ld y n a m i cp r e s s u r ee f f e c t ，r e d u c et h ee n e r g y c o n s u m p t i o na n dr e d u c el e a k a g e ，m i c r oh o l ed e p t ha n dm i c r o p o r o u sd e n s i t ys h o u l d c h o o s eas u i t a b l ev a l u e 硕+ 学位论文 4 t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o nf o r m u l ao ff r i c t i o nc o n s u m p t i o nh a v eg o tt h eb e s t ， a n a l y z e sm i c r o p o r o u ss t r u c t u r ep a r a m e t e r sf o rl a s e r m a c h i n i n g ，p o r o u s s e a l s e n g i n e e r i n go p t i m i z a t i o nd e s i g np r o v i d e st h er e l i a b l et h e o r yb a s i s k e y w o r d s ：m e c h a n i c a ls e a l s ；l a s e rt e x t u r e d ；s u r f a c em i c r o p o r e s ；s e a lp e r f o r m a n c e ； o p t i m i z a t i o n h i 硕+ 学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 机械端面密封( m e c h a n i c a lf a c es e a l s ) 是一种轴向端面密封，简称机械密封， 又称端面密封，是流体机械旋转轴密封最为主要的类型，使用量很大，应用面很 广。图1 1 为最常见的普通机械密封结构，它主要由静环、动环和补偿机构( 弹簧) 等组成。静环静止不动，而动环随旋转轴一起回转并与静环紧密贴合以阻止密封 介质的泄漏。动环和静环端面作相对滑动，由于密封端面间的互相摩擦必然会产 生磨损，此时动环由于补偿机构的作用可以作轴向移动，从而保持密封端面间的 良好接触，以保证流体不会从密封端面泄漏。另外，辅助密封圈与其接触部分无 相对运动，属于静密封，施加一定预紧力可保证各密封点紧密不漏。 1 紧固螺钉；2 弹簧座：3 弹簧；4 动环辅助密封圈；5 动环；6 静环： 7 静环辅助密封圈；8 防转销 图1 1 机械密封基本结构 由于机械密封具有密封性能良好，使用寿命长，对轴或轴套几乎无磨损，抗 震性强等一系列优点，因此被广泛应用于泵、压缩机、搅拌反应釜等旋转机械上， 也常用于齿轮箱、阀门、旋转接头、船舶尾轴、火箭发动机、航空发动机等的轴 封。为了防止环境污染和适应现代化大生产的苛刻要求，各国投入大量人力物力 进行新型机械密封技术的研究与开发。 自从l8 8 5 年英国最早出现第一个机械密封专利及本世纪初应用于工业以来， 机械密封的发展已经走过了l0 0 多年的历史【l 】，初期的机械密封结构比较简单， 材质也差，使用寿命短。二十世纪五十年代以后，为了满足宇航、核电、天然气 输送和石油化工工业迅速发展的需要，对机械密封提出了更高的要求，从而大大 基于m a t l a b 的端面微孔机械密封性能参数计算及优化 推动了该项技术的进步，不断涌现出密封新结构和新材料，逐步形成了比较系统 的机械密封理论【2 1 ，并广泛地开展国际交流与合作【3 1 。目前国际上有不少专门从 事研究、生产和销售机械密封产品的学术团体和国际跨国公司，如英国流体力学 组织( b h r g ) 、欧洲密封协会( e s a ) 、美国流体密封协会( f s a ) 、美国j o h nc r a n e 公司、德国b u r g m a n 公司及日本的皮拉公司等。我国从6 0 年代开始认识和使用机 械密封，随后陆续生产、研究，形成一定的研究、设计和生产能力【4 ，5 ，6 ，7 ，8 1 ，并 制订了一系列的标准【9 】。 经过一百多年的发展，机械密封技术取得了长足发展，但是随着节能问题的 突出和环保意识的增强，如何降低能耗、提高密封的可靠性和延长密封寿命是人 们普遍关注且日益重视的研究课题。深入探索密封机理，开发新的密封结构是机 械密封科研人员的追求。 1 2 流体动压型机械密封的理论研究 传统的接触式机械密封是动、静环在弹簧和介质力作用下直接接触，密封面 间无润滑剂，存在密封承载能力低，摩擦、磨损严重以及泄漏量大等缺点，因此 使其应用受到很大限制。为了从根本上改善密封端面间的润滑状况，人们想象如 果在两密封端面间形成具有一定刚度的流体膜，将两端面分开，机械密封就成为 非接触式，密封面间的摩擦只有流体间的内摩擦，这必将极大地延长机械密封的 寿命。 在流体动压型机械密封中，流体动压力是靠静环和动环两密封面间相对运动 时，槽的台阶效应和输送效应产生的。其理论基础是流体润滑理论，关键问题是 得到密封端面流体动压力的大小及分布规律，主要控制方程为r e y n o l d s 方程或 n a v i e r s t o k e s 方程。 在进行流体动压型机械密封的理论研究时，通常采用近似的解析法和数值分 析法，两者各有其特点。解析法能直接揭示物理模型的本质，是一种重要而简捷 的研究方法，但由于控制方程精确求解的困难，不得不进行必要的简化，使求解 的结果与实际相差较大。随着电子计算机的出现和迅猛发展，数值分析法成为研 究动压型机械密封性能的强有力手段。求解r e y n o l d s 方程的数值方法通常采用有 限差分方法和有限单元法，两种方法均有其优点和不足【l0 1 。 动压型机械密封理论源自于轴承理论。二十世纪六十年代，w h i p p l e t l l ，1 2 】 研究了等距排列的平面平行槽与平板间的流体流动情况，建立了开槽面与平板间 流体压力分布模型。在此基础上，m u i j d e r m a n t l 3 1 采用复变函数保角变换理论将 螺旋槽模型转化成平行直线槽模型，并重点考虑槽端部的影响，逐步完善了螺旋 槽轴承理论，为研究开槽轴承和动压型机械密封奠定了理论基础。随后j a m e s 【1 4 】 2 硕十学位论文 等采用有限差分方法研究了气体润滑螺旋槽平面推力轴承的性能，他采用坐标变 换法解决了螺旋槽曲线边界应用有限差分法所遇到的困难，此方法一直被广泛采 用。 二十世纪七十年代初，g a r d n e r 和z u k 将动压轴承理论应用到机械密封研究， 其成果发表在第四届国际流体密封会议上【1 5 , 1 6 】。前者用解析法研究了带有弧形 螺旋槽端面非接触密封的流体静压原理和动压原理，而后者则采用有限差分法求 解了模拟螺旋槽密封的直线平行槽模型的流场和压力场，结果表明当槽深与槽宽 的比值很小时，横截面涡流对螺旋槽轴向流的影响可忽略不计。随后g a b r i e l 1 7 】 发表了重要文献“螺旋槽非接触机械密封基础”，总结了螺旋槽非接触机械密封 的典型结构，论述了非接触机械密封的基础理论，阐明了操作条件和设计参数对 密封性能的影响。该文献于1 9 9 4 年重新发表【1 8 】。 1 2 1 气相动压型机械密封的理论研究 二十世纪八十年代至今，动压型机械密封理论逐步完善、日趋成熟，并出现 了多种槽型的动压机械密封结构。在此期间，气体密封的研究较早，w a l o w i t 和 p i n k u s 1 9 】采用有限差分法研究了端面中间开矩形浅槽的机械密封性能。随后，楔 形面2 们、平底台阶槽【2 1 1 、移动波【2 2 1 、周向泵送槽和雷列槽2 3 】等槽型产生动压效 应的机理均得到理论分析。1 9 9 1 年王建荣【2 4 】等用常规的有限单元法对圆弧槽泵入 式气体非接触式机械密封性能进行分析，其结构如图1 2 所示。作者计算了密封端 面间的膜压分布和膜压系数，认为以最大刚漏比作为气体机械密封结构参数优化 的依据，用最大刚漏比处的参数作为优化参数，指出设计时应选择较大的载荷系 数，这一设计理念与常规机械密封有着很大差异。1 9 9 2 年，b a s u l 2 5 】研究了径向槽 气体机械密封，其结构如图1 3 所示，分别采用有限差分法和有限单元法在密封面 的动压区求解了可压缩流体的控制方程，分析了双向气体端面密封的性能，指出 在一定操作条件下，密封面上产生的开启力及泄漏率是膜厚的函数。2 0 0 0 年， s h i f e n gw u 【26 j 等采用计算流体力学方法，在不采用任何假设的情况下，求解了完 整的n a v i e r s t o k e s 方程，分析了螺旋槽气体机械密封端面间压力的变化规律，以及 流体在密封面和动压槽内的流动规律，结果表明不论是在密封环的旋转表面还是 在静止表面，所产生的动压效应完全相同，没有位置上的区别。密封面间以及螺 旋槽内的气膜计算参数( 如压力和密度等) 在轴向任何位置不发生变化，这一结果对 传统薄膜润滑理论以及相关的简化控制方程的假设的正确性是强有力的证明。从 密封面间流体膜的压力、密度和速度分布可知，螺旋槽的动压力是由“边界驱动泵” 和下游与槽内径处对气体的压缩产生。r u a n 2 7 j 采用有限单元法计算研究了在低速 ( 5 0 0 r p m ) 、低压( 0 3 m p a ) 条件下滑流对螺旋槽气体机械密封的影响，指出滑流 基于m a t l a b 的端而微孔机械密封性能参数计算及优化 对密封面分开时的速度、泄漏率、气膜刚度以及操作性能有很大影响。计算可知， 在给定气膜厚度下，如果不考虑滑流的影响，开启速度、相应的泄漏率和液膜刚 度分别减d 、2 0 ，3 1 和7 3 。同时，z i r k e l b a e k 28 】也采用有限元法求解了等温可 压缩流体用于螺旋槽轴承和密封中的非线性雷诺方程，计算得到的密封面上的压 力分布，可分别用于评价密封开启力、泄漏率和动压系数，同时给出了螺旋槽机 械密封对于可压缩流体的优化参数。 图1 2 圆弧槽机械密封图图1 3 径向槽机械密封 随后，国内科研工作者也对气体动压型机械密封进行了较为广泛地研究。王 美华【29 】研究了人字形螺旋槽气体密封，如图1 4 所示，建立了计算密封环分析模 型，用有限单元法求得了密封环的温度分布、力变形和热变形，为结构优化、设 计先进的机械密封提供了依据。1 9 9 4 年，蔡文新等【3o j 分析了螺旋槽气体密封间 隙内气体的运动规律，采用有限单元法求解分析了螺旋槽密封压力分布。同年， 吴宗祥等【3 l 】也采用有限单元法对螺旋槽、圆弧槽和直线槽在低速下气体机械密 封的性能进行了研究，得到了适合低速条件下的密封环结构，以最大刚漏比为基 准对三种槽型密封在不同条件下进行结构优化，证明在低速下圆弧槽和直线槽端 面机械密封是能够实现动、静压相结合的密封形式，而且具有泄漏量少，摩擦系 数低等特点。随后，彭建【3 2 】采用八节点有限单元法对螺旋槽气体机械密封进行 了计算，得到了密封端面间的气膜压力分布，并优化了密封面的部分结构参数。 胡丹梅等【33 】研究了直线槽端面气体密封，如图1 5 所示，建立了密封面间隙内的 气体运动的分析模型，采用八节点有限单元法计算得到了直线槽端面气体密封的 压力分布，研究了密封端面几何参数对密封性能的影响，指出直线槽气体密封具 有“开启速度”现象，并以较大刚度时的最大刚漏比作为目标函数，利用优化理论 进行多参数单目标参数四维寻优计算，并绘出了优化曲线图。19 9 9 年，刘雨川【3 4 】 采用修正准一维可压缩流的泄漏流分析计算方法，考察了跨密封边界压差、坝宽、 膜厚和旋转效应对径向泄漏流大小及其会否出现阻塞流的影响，其结果与n a s a 提供的经典理论计算结果、准一维可压缩流分析结果及试验结果是一致的。 随着密封技术的不断发展，非接触螺旋槽机械密封被广泛地应用于气体压缩 机的轴封，并且具有良好的密封性能。但是以往的密封面结构只能单方向旋转， 压缩机停车和反转时气体出现反向流动，会导致密封面不必要的磨损，严重时 4 硕七学何论文 会导致密封面的损坏，影响密封性能。为了阻止停车和反转时密封端面间的接触 磨损，迫切需要双向旋转气体端面密封。1 9 9 2 年，m a s a n o b u ”】等对锥形台槽双 向气体机械密封进行了研究和分析，结果表明这种结构在反向旋转时能够提供满 意的非接触性能，应用于高压压缩机时保持足够低的泄漏率。双向旋转气体密封 的研究与应用，促进了人们对螺旋槽机械密封反转性能的理论研究。1 9 9 3 年， n o s o w i c z 3 6 介绍了具有双螺旋槽结构( 组合螺旋燕尾槽) 和t 型槽的双向旋转气 体端面密封，如图1 6 和图1 7 所示，试验和实际应用结果表明，双向气体端面密 封的泄漏率、端面温升以及端面磨损远低于单向气体密封，因此这种密封具有很 高的稳定性。1 9 9 5 年，k o w a l s k i 和b a s u ”】采用有限差分法分析并设计了具有反 转能力的螺旋槽气体机械密封，通过对螺旋槽的槽数、槽角、槽深和密封坝与槽 宽比等结构参数的优化，在设计压力和转速下，不仅正向旋转具有很好气膜刚度， 而且在低速旋转时达到了满意的反向旋转能力。试验和实际运行表明，即使在振 动较大的场合该螺旋槽气体密封也具有很好的工作性能：反转时密封环有轻微的 接触，但端面温升和磨损量均在许可范围内，其密封性能与压力、速度和反转时 间有直接关系。 人嬲糠 图1 4 人型槽机械密封图1 5 直线槽机械密封 图1 6 双螺旋相机械密封图1 7t 型槽机械密封 1 2 2 液相动压型机械密封的理论研究 直线槽 液相动压型机械密封性能的理论研究较气相机械密封晚，其密封结构和分析 方法均借鉴了气相密封。液相动压型机械密封性能的理论研究始于19 8 8 年， 5 基rm a t i 。a b 的端面微孔机械密封性能参数计算及优化 i k e u c h i 3 8 】采有限差分法分析计算了螺旋泵送槽与雷列台阶组合槽的机械密封性 能，其结构如图1 8 所示。分析结果表明，这种组合槽具有很好的动压效应。1 9 9 2 年，s a l a n t 3 9 】研究了液相倾斜槽和螺旋槽动压型机械密封，倾斜槽如图1 9 所示。 作者采用有限差分法计算分析了转速、锥度、半径比、槽深、槽的斜度以及槽数 等结构参数和操作参数对密封性能的影响，结果表明两种槽型均具有良好的“上 游泵送( u p s t r e a mp u m p i n g ) ”能力，即：把少量密封低压侧( 下游) 中性缓冲流体增 压泵送至高压侧( 上游) ，并在密封端面由缓冲流体形成一层完整的流体膜，可大 大降低泄漏率。随后他又对螺旋槽上游泵送机械密封的润滑液膜进行了数值分析 【40 1 ，结果表明轴向刚度和泄漏率取决于密封操作工况和设计参数，指出优化设 计的螺旋槽上游泵送机械密封在双端面密封中具有很高的轴向刚度，并且可以使 缓冲液达到负泄漏，然而将其应用于单端面密封时，由于过渡空化导致轴向刚度 为负值，使密封性能严重恶化，表明螺旋槽上游泵送机械密封不适宜单端面密封。 同时，非接触零泄漏螺旋槽机械密封也有了迸一步发展，并且采用计算机这一先 进手段来优化液体润滑非接触机械密封参数【4 。 列槽 鬃旋镥 图1 8 螺旋一雷列槽机械密封图1 9 倾斜槽机械密封 我国的科研人员对液相动压型机械密封也做了一些工作。19 9 4 年，张俊玲【4 2 1 等介绍了一种新型非接触式机械密封，认为雷列一螺旋槽组合型机械密封既能产 生动压液膜，又具有自吸泵作用，并且静止时也具有密封能力。并对该结构的密 封原理、密封能力和工作特点进行了分析，得到了密封压力和油膜厚度的计算公 式，提出了结构优化设计的方法。朱刘43 j 等对液体介质的环形槽端面机械密封 机理进行了探讨，用有限差分法研究了膜厚与泄漏率的关系，从理论上分析了压 差、转速、波度等因素对泄漏量的影响。19 9 8 年，彭建等【4 4 】利用现代数值计算 技术，采用有限单元法对三种不同槽型的上游泵送密封结构进行了研究，并且对 上游泵送密封槽型结构进行了优化。试验结果表明，用计算机优化设计出的三种 上游泵送密封结构完全能够实现密封的非接触运行，达到了微泄漏、微磨损，保 证密封的长周期运行。之后，宋鹏云利用螺旋槽轴承的“窄槽”理论，计算分析了 螺旋槽上游泵送机械密封的开启力、摩擦功耗和上游泵送速率等性能，给出了可 用于该类密封设计的计算式【45 。，采用有限差分法对影响上游泵送机械密封性能 的操作因素和结构因素进行了计算分析【46 1 ，并提出液体非接触机械密封“零压差 6 硕十学何论文 1 i ii i 鼍曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼量曼曼! 曼曼曼曼曼皇皇曼曼皇璺鼍曼曼曼苎曼曼曼曼曼曼鼍曼! 皇曼曼皇曼鼍蔓曼鼍鼍 零泄漏”密封观点1 47 。，理论分析指出密封端面存在气液分界面，并推导出了确定 单端面外装同向双槽机械密封汽液分界面半径的解析表达式。随后，郝木明等分 析了上游泵送机械密封的工作原理、结构型式和技术特征【4 引，采用有限元方法 对上游泵送机械密封进行了数值分析【4 9 1 ，得出了一定条件下螺旋槽上游泵送机 械密封端面间的压力分布、开启力和上游泵送量等，结果表明螺旋槽上游泵送机 械密封端面液膜内的压力分布呈三维凸形曲面，证明该密封具有明显的流体动压 效应，低压侧的流体向上游泵送到槽底直径处压力增至最大值，之后利用优化理 论对螺旋槽上游泵送机械密封端面参数进行优化设计”们。 除了以上各种槽形的动压机械密封，微孔端面机械密封是最近几年刚刚出现 的一种动压型机械密封。1 9 9 4 年，e t s i o n 等采用解析法获得以具有微孔的材料作 为密封副其中一个密封面时密封端面间的压力分布、泄漏率和动压系数，分析结 果表明微孔面密封具有轴向液膜刚度，与传统的机械密封相比，其密封性能有较 大改善。之后，e t s i o n 又建立了密封端面具有规则半球形微孔的机械密封模型， 如图1 1 0 所示，分析计算了端面结构参数对摩擦力矩和泄漏率的影响，结果表明 这种结构的机械密封具有全液膜非接触机械密封所具备的性能【5 1 1 。1 9 9 9 年，他 又对激光刻槽机械密封机理进行了理论分析和试验研究，阐述了操作条件与开启 力之间的关系，并对参数优化，使密封面的开启力和液膜刚度最大【52 1 。 o 0 ( a ) 密封端面微孔分布( b ) 端面微孔结构 图1 1 0 具有半球形微孔的机械密封 1 3 端面微孔机械密封研究进展 1 3 1 端面微孔机械密封发展概况 端面微孔机械密封起源要追溯到上世纪8 0 年代末，首先k a n e n k o 于1 9 8 9 、 1 9 9 0 5 3 , 5 4 1 年分别对密封材料上微孔的静压、动压效应作了研究。接着e s t i o n - 于 19 9 4 t 5 5 1 年对端面部分具有微孔材料的密封性能和动力学特性进行了研究； 1 9 9 6 5 1 1 年对具有规则半球形微孔的机械密封模型进行了研究；1 9 9 7 5 6 1 对提高激 7 孤 舍变 n 槲冒 基于姒t i 。a b 的端而微孔机械密封性能参数计算及优化 光加孔端面机械密封的寿命进行了实验研究；1 9 9 9 t 5 2 】年对激光刻槽机械密封机 理进行了理论分析和试验研究；2 0 0 2 t 7 j 年对端面部分微孔机械密封静压效应进 行了研究。与此同时其他研究者也对其产生了浓厚的兴趣并做了大量的研究，如 2 0 0 1 5 s 】年w a n g 等研究了激光加工微孔碳化硅摩擦副在水润滑情况下，从流体动 压润滑过渡到混合润滑状态的临界载荷；2 0 0 1 1 5 9 】年k l i g e r m a n 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。目前，国内有于新奇、彭旭东、杜东坡 等人也相对于端面机械密封进行了一些研究，尤其是于新奇在2 0 0 4 1 6 0 】年对端面 开全孔的微孔端面机械密封性能进行了较为详细的研究。 1 3 2 端面微孔机械密封理论研究进展 端面微孔机械密封理论研究目的是查明端面微孔机械密封的机理，获得操作 参数和结构设计参数对密封性能的影响规律，为其工业应用提供理论支持；重点 是确定端面间压力分布，进而来获得其它密封性能参数。最早的理论研究源于 1 9 8 9 、1 9 9 0 年k a n e n k o 关于多孔材料环形平面密封的研究【5 3 , 5 4 】，结果表明密封材 料上的微孔对动力学系数有很明显的影响，与实体端面密封相比，在相当的主阻 尼的情况下，其主刚度项较大、交叉耦合刚度较小。并且这种趋势随着多孔材料 的厚度的增加越发明显。1 9 9 4 t 5 5j 年e s t i o n 对具有微孔材料的机械密封做了研究， 他结合前人的经验采用解析法获得了密封端面间的压力分布、泄漏率和动压系 数。研究结果表明该密封即使在端面互相平行的情况下液膜也具有正的轴向刚 度，而对于无孔实体端面密封就没有这种刚度，但前者的泄漏率比后者的要高。 与锥面机械密封相比，发现该密封具有更高的临界速度、更好的轴向追随性、更 低的横向摆动刚度( 降低了5 8 ) 、更小的阻尼系数。1 9 9 6 t ”j 年e s t i o n 建立了具 有规则分布半球形微孔机械密封的物理模型，通过求解雷诺方程获得了端面间压 力分布规律，然后在一定初始条件下预测了密封性能指标( 包括开启力、摩擦力 矩、泄漏量) 。研究表明选择合适的微孔尺寸对密封性能相当重要。最佳微孔尺 寸取决于液体的粘度、压力以及微孔面积密度，一般来说，在粘度较低、压力较 高微孔面积密度较小时最优的微孑l 尺寸减小；并且指出微孔密度最好不超过 2 0 ，当超过这个值时，密封性能提高就不明显了。1 9 9 9 t 圮】年e s t i o n 对激光加工 微孔端面机械密封机理进行了理论分析，首先建立其理论模型( 圆柱形微孔) ， 然后采用有限差分法进行数值计算，预测操作条件与开启力之间的关系，并对参 数优化，使密封面的开启力和液膜刚度达到最大，发现微孔密度与密封端面的半 径比对平均压力影响很小，另一方面孔深与孔径的比值对平均压力影响很显著， 微孔形状为半球形时性能最差，还发现微孔效应很大程度上取决于动压效应和静 压效应之间的联系，如果静压效应占主导，则空化现象不是被完全消除了就是被 8 硕十学位论文 约束到孔的一小部分，从而孔的效应就没有了，该密封就变成传统的没有孔的密 封了；如果静压效应相对于动压效应非常小，则其密封性能与传统的没有孔的密 封相比有了显著的提高。2 0 0 2 1 5 9 】年e s t i o n 对激光加工微孔机械密封进行了研究， 与之前不同的是该机械密封的静环表面只有部分环形区域有微孔。与之前类似首 先还是求出端面间静压分布的表达式，然后在假定初始条件的限定条件下，定性 地分析了对静压分布影响最大的3 个参数a 、s p 、6 之间的相互影响关系。其中a 为开孔环形区与整个环形区的宽度比值、印为微孔密度、为微孔深径比、6 为密 封副的间距与直径比。为获得该类密封装置的设计参数提供了很重要的理论依 据。 1 3 3 端面微孔机械密封实验研究进展 微孔机械密封的实验研究相对理论研究晚一些，最早于1 9 9 7 t 5 6 】年e s t i o n 对提 高激光加孔端面机械密封的寿命进行了实验研究。结果表明该类