【摘要】：為滿足車輛傳動系統(tǒng)高pv值(壓力?線速度)的需求,表面微槽型旋轉(zhuǎn)密封由于其良好的動壓效應得到了一定程度的應用。但車輛傳動系統(tǒng)工況復雜,工作條件惡劣。針對車用實際工況,表面微槽型旋轉(zhuǎn)密封的理論工作還極其有限。本文通過理論分析、數(shù)值模擬與試驗研究相結(jié)合的方法,對表面微槽型旋轉(zhuǎn)密封穩(wěn)態(tài)與動態(tài)潤滑特性進行了系統(tǒng)的研究。針對傳統(tǒng)液膜密封領域的限制與不足,構(gòu)建了旋轉(zhuǎn)密封潤滑狀態(tài)預測模型。在考慮空化效應的基礎上,建立了旋轉(zhuǎn)密封動態(tài)特性參數(shù)模型。以穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性參數(shù)為目標,對旋轉(zhuǎn)密封槽型結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計。最后,建立表面微槽型旋轉(zhuǎn)密封動力學模型,對比分析優(yōu)化槽與傳統(tǒng)螺旋槽的動力學特性,并探討蠕動現(xiàn)象產(chǎn)生的機理。采用貼體坐標變換處理表面微槽槽區(qū)邊界,應用基于質(zhì)量守恒定律的有限體積法處理微槽邊界膜厚突變的問題,獲得微槽型流體潤滑模型;采用統(tǒng)計接觸模型描述混合潤滑狀態(tài)時粗糙峰接觸特性;基于旋轉(zhuǎn)密封穩(wěn)態(tài)受力平衡關系,將流體潤滑與粗糙峰接觸模型相耦合,建立了微槽型旋轉(zhuǎn)密封潤滑狀態(tài)預測模型。提出了“脫開轉(zhuǎn)速”的概念,作為劃分混合潤滑狀與全油膜流體動力潤滑狀態(tài)的臨界轉(zhuǎn)速。擬合得到了脫開轉(zhuǎn)速關于工況壓力的經(jīng)驗公式,可方便判斷實際工況下旋轉(zhuǎn)密封潤滑狀態(tài)。針對直線槽與螺旋槽旋轉(zhuǎn)密封脫開特性進行了參數(shù)化分析,給出了槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選范圍。針對傳統(tǒng)Reynolds空化邊界條件不能準確預測表面微槽型旋轉(zhuǎn)密封流體潤滑特性的問題,建立基于質(zhì)量守恒空化邊界條件的旋轉(zhuǎn)密封空化數(shù)學模型,搭建了旋轉(zhuǎn)密封空化現(xiàn)象觀測試驗臺。采用攝動法建立了基于質(zhì)量守恒空化邊界條件的旋轉(zhuǎn)密封動態(tài)特性參數(shù)分析模型,搭建了動態(tài)剛度測試試驗系統(tǒng),對比分析Reynolds空化邊界條件和質(zhì)量守恒空化邊界條件下動態(tài)特性參數(shù)變化規(guī)律。研究表明,動態(tài)剛度主要受流體動壓效應和空化效應的影響;動態(tài)阻尼不直接受流體動壓和流體靜壓效應的影響,主要受空化效應的影響。為了使車用旋轉(zhuǎn)密封獲得更好的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性,基于微槽型旋轉(zhuǎn)密封流體潤滑數(shù)值模型,以槽型參數(shù)為設計變量,建立了槽型優(yōu)化設計模型。研究表明,優(yōu)化槽型的流體承載力與動態(tài)剛度大大優(yōu)于初始螺旋槽的。優(yōu)化槽型具有更優(yōu)流體潤滑特性的原因是其幾何形式能更有效地利用流體動壓效應;槽數(shù)對優(yōu)化槽型的幾何形式有較大影響,但外徑尺寸影響不大。通過回歸分析,得到了優(yōu)化槽旋轉(zhuǎn)密封潤滑特性參數(shù)的回歸方程。針對穩(wěn)態(tài)模型無法預測旋轉(zhuǎn)密封在瞬態(tài)沖擊等動態(tài)工況下的動力學特性,建立了旋轉(zhuǎn)密封動力學模型。對實際充油工況、壓力沖擊工況與轉(zhuǎn)速沖擊工況旋轉(zhuǎn)密封動態(tài)特性進行研究。然后將動力學模型推廣到二自由度情形,分析旋轉(zhuǎn)密封的蠕動特性。研究表明,微槽型旋轉(zhuǎn)密封有穩(wěn)定快速的瞬態(tài)響應,在實際充油工況下能很好地跟隨工作壓力的變化,在極端工況下有良好的抗沖擊能力。旋轉(zhuǎn)軸軸向振動是密封環(huán)蠕動產(chǎn)生的原因,優(yōu)化槽的動態(tài)特性及蠕動特性大大優(yōu)于傳統(tǒng)螺旋槽。
【圖文】：

北京理工大學博士學位論文此方法在 Miller 和 Green[32]、Liu 等[27]的論文里得到了應用。利用 Kogure 分塊加權(quán)技術，根據(jù)控制體被分割的兩部分所占比均。采用分塊加權(quán)技術，解決了采用有限差分法和有限體積法重合的問題，獲得了可靠的求解結(jié)果。然而，如果槽臺邊界是臺邊界在各個控制體積的加權(quán)系數(shù)將十分麻煩，計算過程繁瑣界難以統(tǒng)一。Liu 等[27]采用貼體坐標變換的方法對螺旋槽止推分析。經(jīng)過坐標變換，槽臺邊界的螺旋線轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎阌虻闹本�算液膜壓力分布。他們的算法解決了螺旋線邊界求解加權(quán)系數(shù)旋線的方程來推導坐標變換后的 Reynolds 方程，該方法無法推表達式的槽臺邊界曲線的情形。

Ruan[98]發(fā)展了一種考慮密封環(huán)一個軸向和兩個角度方向的運動及粗糙峰接觸的機械密封動態(tài)分析模型。在啟動和停機工況下，采用一種全局時間積分法分析螺旋槽氣體端面密封的動態(tài)特性。綜上，在機械密封領域動力學模型研究比較成熟，考慮的因素也比較多。但是旋轉(zhuǎn)密封由于其特殊的結(jié)構(gòu)形式，，在外圓面有摩擦力的存在。在動態(tài)求解過程中，由于摩擦力為被動力，其與運動狀態(tài)有很復雜的耦合關系，給動力學求解帶來很大的難題。目前為止，還沒有一個能分析旋轉(zhuǎn)密封動態(tài)工況下潤滑特性的模型。因此，建立一個同時考慮表面微槽流體動壓效應、油膜擠壓效應、空化效應和粗糙峰接觸特性的旋轉(zhuǎn)密封動力學模型是很有必要的。1.3 研究思路與主要研究內(nèi)容本文研究的最終目標是探索適合車用工況的旋轉(zhuǎn)密封槽型結(jié)構(gòu)，并建立動力學模型分析其實際工況下的動態(tài)特性，本文整體研究思路如圖 1.4 所示。
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TH136

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本文編號：2564644