艉轴可控式机械密封数值分析及试验研究

摘要

普通机械密封往往只能在设计工况下稳定运行，一旦工作条件或环境条件发生变化，则可能产生高值端面载荷，导致高磨损，缩短密封寿命甚至完全失效；或者是端面膜厚过大，产生严重泄漏而造成密封的失效。本文针对这一现实要求，用数值方法和试验分析法研究了变工况条件下影响机械密封特性的主要因素，为同类型的机械密封设计提供理论依据。 在可控式机械密封装置的设计中，以端面温升作为机械密封控制系统的反馈信号，通过调节弹簧的压缩量或伸长量改变密封环端面的闭合力，以控制密封环端面的温升。本文用摩擦学原理分析了密封环摩擦的基本原理，阐述了密封环材料选择的基本原则，并介绍了常见材料的物理性能和应用场合。分析了镶嵌式动环的过盈量的选择对密封性能和使用寿命的影响。 在机械密封温度场与应力场耦合分析中，分析了传热和接触问题的特点，建立了密封环的整体模型。根据ANSYS软件解决相关问题的特点，在密封环接触端面建立接触单元，并设置大的传热系数，使产生的摩擦热量优先在接触端面间传递。用热流密度代替摩擦热载荷施加于动、静环接触处，并用循环迭代提高了热流密度的计算精度。同时运用传热学原理分析了密封环的对流换热边界，并应用经典公式计算了相应边界的对流换热系数。同时计算了不同工况下的密封环温度场、应力场的分布和轴向相对变形状况，并分析了影响它们的主要因素。 在机械密封试验研究中，在艉轴可控式机械密封试验装置上测试了不同工况下密封环端面的温度、泄漏量和摩擦转矩，并与理论计算结果进行了分析比较。结果表明，理论计算与试验结果比较吻合，从而验证了温度场与应力场耦合分析所采用的数学模型的是正确的。 在机械密封摩擦特性的研究中，首先分析了密封装置轴向受力状况，以及从摩擦学角度分析了密封环端面可能处于的摩擦状态和摩擦机理，接着应用摩擦系数和密封特性准数来划分摩擦状态，并用试验验证了它们的适用性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1机械密封装置简介

1.2课题的提出

1.3国内外研究现状

1.3.1可控机械密封研究现状

1.3.2机械密封环温度场和应力场的耦合分析研究现状

1.3.3机械密封试验研究现状

1.3.4机械密封端面摩擦研究现状

1.4研究的目的和意义

1.5本论文研究的主要内容、关键技术问题和方法

第2章 可控式机械密封试验装置研究

2.1可控式机械密封试验装置的研制

2.1.1机械系统的研制

2.1.2测试系统的研制

2.1.3控制系统的研制

2.2机械密封端面摩擦副材料的选择

2.2.1从摩擦学角度分析摩擦副的选材

2.2.2机械密封摩擦副材料的选择原则

2.2.3机械密封摩擦副常用材料性能

2.3机械密封镶嵌式动环强度分析

2.3.1镶嵌式动环过盈配合的计算模型

2.3.2镶嵌式动环过盈配合的有限元仿真

2.3.3理论计算与有限元仿真结果比较分析

2.4本章小结

第3章 可控式机械密封环温度场与应力场耦合分析

3.1稳态温度场与应力场耦合分析基本理论

3.1.1应力场分析基本理论

3.1.2稳态温度场分析基本理论

3.1.3稳态温度场与应力场耦合基本理论

3.2机械密封环边界条件的确定

3.2.1机械密封材料的热物理性能参数

3.2.2对流换热系数的计算

3.2.3机械密封端面摩擦热的分析

3.3机械密封稳态温度场与应力场耦合分析

3.3.1基本假设

3.3.2机械密封环有限元模型的建立

3.3.3边界条件的施加

3.3.4机械密封稳态温度场与应力场耦合的结果分析

3.4本章小结

第4章 可控式机械密封试验研究

4.1机械密封静环端面温度的测试与分析

4.2机械密封泄漏测量与分析

4.3机械密封端面摩擦转矩的测量与分析

4.4理论计算结果与试验测试结果的比较分析

4.4.1机械密封环端面温度的比较

4.4.2机械密封泄漏量的比较分析

4.4.3机械密封端面摩擦转矩的比较分析

4.5本章小结

第5章 可控式机械密封摩擦特性的研究

5.1机械密封副的轴向力平衡分析

5.2机械密封端面摩擦状态分析

5.3机械密封端面摩擦机理分析

5.4用摩擦系数划分摩擦状态的研究

5.5密封特性G准数对摩擦特性的影响

5.5.1密封特性准数G的定义

5.5.2密封特性准数G与摩擦系数f的关系

5.5.3用密封特性准数划分摩擦状态的研究

5.6可控式机械密封端面摩擦特性的研究

5.6.1可控式机械密封端面摩擦系数的测试

5.6.2可控式机械密封端面摩擦状态的判断

5.7本章小结

第6章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目