【摘要】：剖分式機械密封(Split mechanical seal,縮寫為SMS)因其裝拆便捷,在資源日漸枯竭、環(huán)境要求不斷提高的今天,已成為流體裝備領(lǐng)域的一個研究熱點。目前,國內(nèi)外針對SMS的研究大部分限于結(jié)構(gòu)研究,這些研究解決了SMS設(shè)計的可行性問題,但缺乏理論研究。因此開展熱-力-流-固多場耦合效應(yīng)下SMS性能的理論研究具有重要的理論價值和實踐意義。本文以理論推導(dǎo)、數(shù)值計算和試驗驗證相結(jié)合的技術(shù)手段,開展基于多場耦合效應(yīng)的SMS性能研究,探討在熱-力-流-固多場耦合作用下的剖分式密封環(huán)(簡稱為剖分環(huán))變形規(guī)律,研究變形環(huán)體溫度分布和密封性能,并進(jìn)行臺架試驗驗證。具體研究內(nèi)容和獲得的結(jié)論如下:基于側(cè)接觸彈塑性理論和PC平均雷諾方程,建立了混合潤滑狀態(tài)下機械密封端面摩擦熱的理論計算模型,并利用Matlab編程,計算分析了操作參數(shù)和表面形貌參數(shù)對摩擦熱的影響規(guī)律。結(jié)果表明:混合摩擦熱隨轉(zhuǎn)速的增加而增大,微凸體接觸摩擦熱先增大后減小;對于給定端面形貌的機械密封,當(dāng)其處于混合潤滑狀態(tài)時,微凸體摩擦間隙d的增大會使端面總摩擦熱和微凸體接觸摩擦熱減小,黏性摩擦熱受其影響不大,且始終占據(jù)較大比重,當(dāng)摩擦間隙d?8.2?(σ為靜環(huán)和動環(huán)端面粗糙度的綜合標(biāo)準(zhǔn)方差)時,微凸體接觸摩擦熱減小為零;當(dāng)粗糙度增大時,總摩擦熱先減小然后趨向于穩(wěn)定,說明存在某一粗糙度使密封端面所產(chǎn)生的混合摩擦熱最少;在考慮潤滑時,應(yīng)選擇粘度較大且隨溫度變化小的潤滑劑。采用有限元方法對剖分環(huán)變形進(jìn)行了熱-力-流-固耦合計算,確定了環(huán)體變形的近似表征參數(shù),利用正交試驗法對影響變形的操作參數(shù)進(jìn)行了顯著性分析,建立了顯性影響因素與端面和分型面變形的函數(shù)關(guān)系式,研究了操作參數(shù)單因素和摩擦副材料對變形的影響規(guī)律。結(jié)果表明:在多場耦合效應(yīng)下,剖分環(huán)密封端面間形成了徑向收斂錐狀,周向形成2個周期的波,且一般情況下在分型面處形成波峰,分型面則形成從外徑向內(nèi)徑收斂和沿密封端面向密封環(huán)另一端軸向收斂的楔狀,硬質(zhì)動環(huán)的變形非常小,分型面變形可以忽略,軟質(zhì)靜環(huán)變形較大;介質(zhì)壓力增大使端面和分型面變形均增大,設(shè)計時應(yīng)使分型面預(yù)緊力為零,彈簧比壓增大可減小分型面變形,但不宜過大,轉(zhuǎn)速在低速時增大可以減小端面變形,繼續(xù)增大則影響不明顯,而介質(zhì)溫度對變形幾乎無影響;剖分式動環(huán)材料不同對端面錐度、波度和分型面變形均有明顯影響,對徑向錐度影響最大。利用分離變量法推導(dǎo)了剖分環(huán)三維穩(wěn)態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型,用Maple語言編程,計算分析了轉(zhuǎn)速、介質(zhì)溫度、分型面張角以及密封端面錐角對端面溫度分布的影響。結(jié)果表明:轉(zhuǎn)速增加使周向溫度梯度增大;介質(zhì)溫度對溫度梯度影響很小;分型面張角和密封端面錐角增大均會使端面溫度降低,周向溫度梯度增大�？紤]粗糙度的影響,建立了穩(wěn)態(tài)運行時密封間隙內(nèi)液膜的幾何方程,運用有限體積法對液膜三維模型進(jìn)行流體動力學(xué)數(shù)值計算,比較分析了剖分式和整體式密封環(huán)的密封性能,研究了轉(zhuǎn)速、介質(zhì)壓力、彈簧比壓、分型面張角、端面錐角和分型面與密封環(huán)端面波峰的相對位置對泄漏率的影響。結(jié)果表明:SMS的泄漏率比整體式密封環(huán)大,承載力和端面液膜開啟力與泄漏率之比均大于后者,泄漏率在低速范圍內(nèi)隨轉(zhuǎn)速的增大而減小,隨介力的增大而線性增加,隨彈簧比壓的增大呈上升趨勢,但變化不明顯;設(shè)定端面變形不變,分型面張角增大使總泄漏率上升,端面液膜開啟力減小,且張角tanγs3.3×10-5時,端面泄漏率隨張角增大而減小,大于該值時幾乎不受其影響;設(shè)定分型面張角不變,密封端面的錐度對密封端面和分型面的泄漏率均產(chǎn)生較大影響,端面錐角較小時,適當(dāng)增大端面錐角可以明顯減小密封端面和分型面的泄漏率。通過臺架試驗對穩(wěn)態(tài)時SMS的靜環(huán)端面溫度與端面變形以及總泄漏率進(jìn)行了測量。采用OLYMPUS 3D測量共焦激光顯微鏡對剖分式靜環(huán)磨損后的密封端面進(jìn)行三維形貌測量,驗證了密封環(huán)端面變形情況的理論計算結(jié)果;剖分式靜環(huán)密封端面溫度的實測結(jié)果和SMS裝置泄漏量的實測結(jié)果均與理論計算結(jié)果基本一致,驗證了本文研究方法的合理性和正確性。本文的研究成果對SMS的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)作用,為SMS性能的深入研究提供基礎(chǔ)和參考,也為SMS技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供了必要的理論依據(jù)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：南京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH136

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本文編號：2469850