考虑可制造性的旋转动静压密封环设计

摘要

机械密封是一种旋转机械常用的轴向密封结构，相比其他密封方式，具有更优异的密封性、更高的可靠性和更长的使用寿命。随着工业技术的不断发展，各种转动设备的工作环境变得越来越苛刻，对机械密封工作性能提出了较高要求。因此，需要发展出性能更优的非接触式机械密封结构，高性能机械密封端面结构设计、耐磨密封环材料，以及微表面纹理制造技术是获得密封高性能的重要保证。本文立足于以上应用背景，基于现有的密封端面结构和加工工艺方法，研究了制造误差对周向波度（WTD）密封环密封性能的影响，同时基于激光加工方法在自由曲面加工上的优势，提出了一种新型的端面密封结构形式。本文主要研究内容如下： （1）根据现有的润滑理论和数学方法，对机械密封的物理模型做了简化，依据有限单元法基本理论，引入JFO边界条件，在MATLAB平台上编写了考虑流体空化的薄层流体计算程序。基于有限单元法的数值解，得到机械密封性能的评价参数：液膜承载力、刚度、泄漏量和空化面积。以周向波度结构为计算实例，对密封流场做了计算，给出了流场的压力分布云图和混合密度分布云图。 （2）预变形法作为周向波度密封环的一种加工方法已经被提出来，但是受到加工原理的限制，加工误差不可避免。本文以机械密封仿真程序为工具，以环形曲梁受扭变形结果为基础，研究了不同加载扭矩比下，最大高度为10μm的密封环的变形情况，讨论了在不同的密封压力和动环转速下生成的曲面结构在密封性能方面与周向波度结构的差异，确定了控制密封环变形的最佳扭矩对。 （3）针对波度密封环的另外一种加工方法，即激光刻蚀近似成形的加工方法做了原理叙述。采用多台阶结构近似代替波度结构的光滑曲面，可以简化加工过程的难度，是一种较易实现的加工方案。为了验证这种加工方法的有效性，通过区间分层法得到了台阶近似结构表面，借助仿真程序，计算了不同密封压力和密封环转速下，台阶数对密封性能的影响，证明了激光加工方法的有效性。 （4）设计了一种新型的密封端面结构，结合了螺旋槽机械密封高性能特点和周向波度密封的自冲洗和可靠性高的特点。讨论了在不同工况条件下，3个结构参数对密封性能的影响规律，确定了结构控制参数的取值。用激光刻蚀方法实现了对一组控制参数确定的结构表面的加工，通过仿真程序计算得到了实际结构与理论结构的性能参数，证明了激光加工方法是可实现的。

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