基于微尺度效应的液体非接触式机械密封研究

摘要

用于液体介质的非接触式机械密封由于低摩擦、低能耗、寿命长等优点而有着广泛的应用前景和研究意义。然而，液体非接触式机械密封微间隙流动属于微流动范畴，有关研究表明，微流动中会出现一些宏观流动中可以忽略的微尺度效应，如表面力占主导、边界滑移、相对表面粗糙度变大等，这些效应已成为影响微间隙流动的重要因素。目前，对干气密封的微尺度效应研究已取得了显著的成果，但由于微尺度下液体流动的特殊和复杂性，使得液体非接触式机械密封微尺度效应的研究还很少。因此，本文将对液体非接触式机械密封的微尺度效应进行初步研究，以便为高性能机械密封的研究开发和应用提供参考。具体工作和结论如下（本课题得到国家自然科学基金项目“水力机械端面密封内部微尺度流动与密封润滑机理研究”的资助，基金号51279067）:
　　1.基于分子动力学方法，研究单个水分子在不同密封材料表面的吸附作用。研究表明:水分子在石墨表面、碳化硅表面的吸附能较小，当剪应力足够大时，水分子容易发生边界滑移。
　　2.在相同安装条件和工况下，测试镍基硬质合金-石墨、碳化硅-石墨密封副的摩擦扭矩并进行对比分析，探索密封微间隙流动边界滑移问题。试验发现，相同试验条件下，达到一定转速后，碳化硅-石墨密封副的摩擦扭矩略小于镍基硬质合金-石墨的摩擦扭矩，分析认为摩擦扭矩之间的差值系边界滑移不同所造成。
　　3.分析了不同滑移模型的特点，以螺旋槽上游泵送机械密封为例，基于Navier线性滑移模型，修正边界条件，采用N-S方程对液膜进行数值求解，得到边界滑移对液膜开启力、摩擦扭矩、泄漏量以及膜压分布的影响规律。
　　4.通过试验对密封环表面粗糙度进行了测量，得到了粗糙度微观形貌，采用二维矩形粗糙元加以近似，以多孔端面机械密封为例，研究粗糙度对密封流动和性能的影响。研究表明:相对表明粗糙度大小及其分布对微凹腔动压效应及微间隙流动阻力产生不同的影响。同时探讨了考虑粗糙度情况下的边界滑移问题。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 机械密封介绍

1．2 微尺度效应简介

1．2．1 低雷诺数效应

1．2．2 表面优势效应

1．2．3 边界滑移

1．2．4 相对表面粗糙度的影响

1．3 液体非接触式机械密封研究现状

1．4 液体边界滑移研究进展

1．4．1 微通道内边界滑移研究

1．4．2 表面的边界滑移

1．4．3 滑动轴承边界滑移

1．4．4 机械密封边界滑移

1．5 微间隙表面粗糙度影响研究现状

1．6 研究现状小结

1．6．1 实验研究

1．6．2 理论研究

1．6．3 数值模拟

1．7 本文研究的意义和主要内容

第二章 边界滑移的微观机理研究

2．1 边界滑移概念及其影响因素

2．2 边界滑移的研究方法

2．3 分子模拟基础理论

2．3．1 分子动力学运动方程及其求解

2．3．2 力场的选择——COMPASS力场

2．3．3 周期性边界

2．3．4 系综选择

2．3．5 分子动力学模拟基本流程

2．4 水分子在密封材料端面吸附的分子模拟细节

2．4．1 分子模型的建立

2．4．2 边界条件

2．4．3 势能函数与截断半径

2．4．4 分子动力学设置与计算

2．4．5 吸附能计算

2．4．6 结果与分析

2．5 本章小结

第三章 机械密封边界滑移试验

3．1 试验目的

3．2 试验方案及装置

3．2．1 试样的加工

3．2．2 试验方案

3．2．3 试验装置

3．3 试验结果及分析

3．4 本章小结

第四章 边界滑移对上游泵送机械密封性能影响的数值计算

4．1 边界滑移的物理模型和数学描述

4．1．1 Navier线性滑移模型

4．1．2 极限剪应力模型

4．1．3 两个曲面固壁间液体流动的滑移模型

4．2 密封微间隙流与动压轴承间隙流的异同

4．2．1 两者相同点

4．2．2 两者的差异

4．3 边界滑移对上游泵送机械密封性能影响的数值计算

4．3．1 几何建模

4．3．2 网格划分

4．3．3 边界条件设置

4．3．4 控制方程

4．4 计算结果及分析

4．4．1 边界滑移对液膜静压分布的影响

4．4．2 边界滑移对液膜开启力的影响

4．4．3 边界滑移对液膜摩擦扭矩的影响

4．4．4 边界滑移对泄漏量的影响

4．5 本章小结

第五章 液体非接触式机械密封表面粗糙度影响研究

5．1 密封环粗糙度的实验测试

5．2 表面粗糙度的处理方法

5．3 表面粗糙度对机械密封性能影响的数值计算

5．3．1 几何建模

5．3．2 网格划分

5．3．3 边界条件

5．3．4 基本假设和控制方程

5．4 计算结果与分析

5．4．1 不同位置粗糙元对膜压的影响

5．4．2 粗糙元密度k对膜压分布的影响

5．4．3 相对表面粗糙度r对膜压分布的影响

5．4．4 表面粗糙度对摩擦扭矩的影响

5．5 基于粗糙度的边界滑移研究探讨

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 进一步研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文及申请的专利