表面粗糙度模拟及其对动压型机械密封性能的影响

摘要

与普通机械密封相比，动压型机械密封具有低磨损、高可靠性和寿命更长等优势已成为密封领域研究的热点。动压型机械密封间隙一般只有几微米，膜厚与表面粗糙度相比通常仅高一个数量级，故密封端面表面粗糙度对间隙内流场及密封性能的影响已不可忽略，但由于动压型机械密封间隙微尺度流动极其复杂，表面粗糙度的模型及其对动压型机械密封性能的影响仍然处于不断探索中。因此，建立合理的机械密封表面粗糙度模型，并分析表面粗糙度对密封性能的影响，可以为深入研究动压型机械密封润滑机理和进行密封设计提供参考依据。本文在国家自然科学基金资助项目（项目编号：51279067 ）的资助下，以激光加工多孔端面机械密封为研究对象，研究了机械密封表面粗糙度的模拟方法及其对动压型机械密封性能的影响，主要研究工作和结论如下： 1. 基于表面粗糙度基础理论，在机械密封有关标准范围内，研究表明：表面高度符合高斯（Gauss）分布的表面粗糙度模型，能够不失一般性地表达机械密封端面的表面粗糙度；运用Matlab软件编程模拟了机械密封随机粗糙表面，得到粗糙表面上各点的三维坐标，导入UG软件中建立了液膜水体的三维模型。 2. 运用Fluent软件模拟研究了表面粗糙度对动压型机械密封动压效应的影响。研究表明：在本文所研究的参数范围内，同一介质压力时，无论考虑密封环端面任何部位的表面粗糙度，都能增强液膜动压效应，开启力均大于光滑表面，且随转速的增加影响越大。 3. 分别考虑静环端面、动环非凹腔区和动环凹腔区表面粗糙度以及同时考虑三个部位表面粗糙度作正交试验，研究了表面粗糙度对动压型机械密封性能的影响规律，并做了相关实验验证。研究表明：相同工况下，与光滑表面相比，静环端面、动环非凹腔区和动环凹腔区的表面粗糙度均会增大开启力和摩擦扭矩，减小泄漏量；密封性能实验的实验值与模拟值基本一致，在误差允许的范围内，实验验证了模拟结果是可靠的、正确的。 4. 基于流体动力润滑理论和密封介质粘温关系，在凹腔深度hc为8μm、密封介质温度变化时，研究了表面粗糙度对液膜热特性的影响。研究表明：相同工况、不同介质温度下，与光滑表面相比，表面粗糙度均会使液膜的温度升高，对密封间隙液膜的散热产生不利影响。

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