激光加工多孔端面机械密封性能研究及结构优化

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很少有文献报道。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，采用有限差分法求解雷诺方程，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hp和微孔密度Sp对其密封性能参数的影响规律，得到微孔深度hp和微孔密度Sp的最佳值。与此同时，进一步计算由多目标优化方法构建的液膜刚度与泄漏量之比——协调函数，获得最佳的端面结构参数值。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VC＋＋、Matlab计算机软件得到了摩擦功耗、泄漏量等密封性能参数值及刚漏比。 2．对激光加工多孔端面机械密封的摩擦功耗进行了深入研究，理论推导得到了在密封端面间为液体摩擦时端面间的摩擦功耗表达式。通过理论计算，研究了结构参数对摩擦功耗的影响。结果表明，在微孔半径一定时，对微孔深度和微孔密度进行优化，可使端面间的摩擦功耗最小。 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．通过计算多目标优化方法构建的液膜刚度与泄漏量之比的协调函数，分析得到了最佳的端面结构参数值，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。

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论文说明：图表目录

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第1章绪论

1.1引言

1.2流体动压型机械密封的理论研究

1.2.1气相动压型机械密封的理论研究

1.2.2液相动压型机械密封的理论研究

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

1.3.2端面微孔机械密封理论研究进展

1.3.3端面微孔机械密封实验研究进展

1.4激光技术在机械密封端面加工中的应用

1.4.1激光加工"返流泵送"结构

1.4.2激光硬化密封端面

1.4.3激光加工多孔密封端面

1.5课题研究的意义

1.6课题来源与主要研究工作

1.7课题的创新点和关键性问题

1.8本章小结

第2章激光加工多孔端面机械密封的流体力学分析

2.1端面微孔机械密封典型结构、工作原理及应用

2.1.1端面微孔机械密封的典型结构

2.1.2端面微孔机械密封的工作原理

2.1.3端面微孔机械密封的应用概况

2.2流体动压型机械密封理论基础

2.2.1 Reynolds方程的一般形式

2.2.2等温稳态条件下的Reynolds方程

2.2.3动压型机械密封的控制方程

2.3激光加工多孔端面间液膜的流体动力学分析模型

2.3.1几何模型

2.3.2基本假设

2.3.3多孔端面间流体膜的控制方程

2.3.4边界条件

2.3.5膜厚分布

2.4本章小结

第3章多孔密封端面密封性能的理论分析

3.1端面微孔机械密封参数

3.1.1结构参数和操作参数

3.1.2密封性能参数

3.2摩擦功耗

3.2.1密封端面间的摩擦力

3.2.2密封端面间的液膜厚度

3.2.3密封端面间的摩擦力计算

3.2.4密封端面间摩擦功耗的确定

3.3泄漏量

3.3.1多孔端面密封泄漏量的计算

3.3.2多孔端面密封泄漏量的影响因素

3.4多孔端面机械密封稳定工作机理与分析

3.4.1液膜刚度

3.4.2激光加工多孔端面密封的稳定工作机理

3.5本章小结

第4章多孔密封端面密封性能参数的计算与分析

4.1变量的无量纲化

4.1.1控制方程的无量纲形式

4.1.2膜厚分布的无量纲形式

4.1.3边界条件的无量纲形式

4.2控制方程的求解

4.2.1无量纲控制方程数值解的格式

4.2.2无量纲控制方程数值解的实现

4.3密封参数性能计算

4.3.1摩擦功耗的计算分析

4.3.2泄漏量的计算分析

4.4本章小结

第5章多孔密封端面密封结构参数的协调优化

5.1多目标协调优化理论

5.1.1多目标优化的定义

5.1.2多目标优化方法

5.2多目标协调函数-刚漏比的解析式

5.3最佳微孔密度Sp和微孔深径比ε的计算

5.4本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录