丁洋 論文答辯報告

1、LOGO 答 辯 人： 丁 洋 指導教師：宋鵬云 教授昆明理工大學碩士學位論文答辯昆明理工大學碩士學位論文答辯 浸油端面方孔機械密封摩擦學 性能研究 目錄目錄一、緒論二、浸油端面方孔機械密封流體力學分析三、油膜壓力的解析計算四、油膜壓力的數值計算五、摩擦學性能計算結果分析與討論六、密封端面平均溫度和溫度場計算及結果分析七、結論一、緒論一、緒論 其中端面造型機械密封就是近幾年來發(fā)展非常其中端面造型機械密封就是近幾年來發(fā)展非常迅速的當今機械密封領域的一項高新技術，適用迅速的當今機械密封領域的一項高新技術，適用與大部分高壓、高溫、高速、易燃和腐蝕性介質與大部分高壓、高溫、高速、易燃和腐蝕性介質等復雜

2、工況，并在離心泵、離心壓縮機和反應釜等復雜工況，并在離心泵、離心壓縮機和反應釜等過程設備上取得了成功應用。等過程設備上取得了成功應用。可靠性高磨損小壽命長泄漏低密封環(huán)境變化工業(yè)技術發(fā)展 機械密封端面摩擦狀態(tài)是決定其密封性能的機械密封端面摩擦狀態(tài)是決定其密封性能的重要因素，也是近來學者們研究的重點問題之一。重要因素，也是近來學者們研究的重點問題之一。 雖然目前國內外研究人員對一些端面造型機械密雖然目前國內外研究人員對一些端面造型機械密封的摩擦學性能進行了研究，出現(xiàn)了許多機械密封的封的摩擦學性能進行了研究，出現(xiàn)了許多機械密封的新新結構，但在高溫、高壓、高轉速工況條件下，必要的結構，但在高溫、高壓、

3、高轉速工況條件下，必要的潤潤滑條件很難保證，以至密封環(huán)端面發(fā)生非正常摩擦磨滑條件很難保證，以至密封環(huán)端面發(fā)生非正常摩擦磨損，降低其使用壽命。損，降低其使用壽命。 浸油端面方孔機械密封是在端面造型機械密封基浸油端面方孔機械密封是在端面造型機械密封基礎上發(fā)展而來的一種新型的流體動壓型非接觸機械密礎上發(fā)展而來的一種新型的流體動壓型非接觸機械密封，與普通密封相比，不僅具有更加優(yōu)良的密封性，封，與普通密封相比，不僅具有更加優(yōu)良的密封性，更能達到良好的端面摩擦狀況，保證密封的穩(wěn)定運行，更能達到良好的端面摩擦狀況，保證密封的穩(wěn)定運行，極大地延長密封的壽命極大地延長密封的壽命.浸油端面方孔機械密封的研究浸油端

4、面方孔機械密封的研究國內還未見報道，至今未有商品化的產品面世。國內還未見報道，至今未有商品化的產品面世。 解析求解密封端面液膜壓力解析求解密封端面液膜壓力數值求解密封端面液膜壓力數值求解密封端面液膜壓力分析分析參數對參數對摩擦摩擦學學性能的影性能的影響響解析求解密封溫度分布解析求解密封溫度分布 研究意義研究意義 提出油膜壓力解析新算法，并優(yōu)化參數提高摩擦學性能奠定設計理論基礎，降低制造成本二、浸油端面方孔機械密封流體力學分析二、浸油端面方孔機械密封流體力學分析 圖圖2.1 端面方孔的密封環(huán)端面方孔的密封環(huán) 圖圖2.2 端面開方孔示意圖端面開方孔示意圖 工作原理工作原理 浸油端面方孔機械密封其工

5、作原理為：隨著密封運轉浸油端面方孔機械密封其工作原理為：隨著密封運轉潤滑油內部產生的粘性剪切力帶動潤滑油從方孔內向孔外潤滑油內部產生的粘性剪切力帶動潤滑油從方孔內向孔外間隙運動，從而形成了潤滑油的流動，由于潤滑油流動的間隙運動，從而形成了潤滑油的流動，由于潤滑油流動的收斂性而使壓力增加，從而產生流體動壓效應。當潤滑油收斂性而使壓力增加，從而產生流體動壓效應。當潤滑油的動壓力和環(huán)境壓力共同作用形成的密封開啟力超過閉合的動壓力和環(huán)境壓力共同作用形成的密封開啟力超過閉合力時，使兩密封端面完全分離處于非接觸狀態(tài)，并在密封力時，使兩密封端面完全分離處于非接觸狀態(tài)，并在密封端面間形成一層穩(wěn)定連續(xù)的油膜，此

6、時密封端面間的摩擦端面間形成一層穩(wěn)定連續(xù)的油膜，此時密封端面間的摩擦為流體摩擦，且在密封運轉時，貯存潤滑油的方孔能夠不為流體摩擦，且在密封運轉時，貯存潤滑油的方孔能夠不斷地提供潤滑油，保證端面的流體摩擦狀態(tài)，進而極大地斷地提供潤滑油，保證端面的流體摩擦狀態(tài)，進而極大地改善密封端面的摩擦狀態(tài)，延長密封使用壽命改善密封端面的摩擦狀態(tài)，延長密封使用壽命（a)孔欄和邊界分布示意圖孔欄和邊界分布示意圖 (c)方孔幾何參數方孔幾何參數 圖圖2.3 具有方孔的密封表面示意圖具有方孔的密封表面示意圖 （a)孔欄和邊界分布示意圖孔欄和邊界分布示意圖 (c)(c)方孔幾何參數方孔幾何參數 圖圖2.3 具有方孔的密

7、封表面示意圖具有方孔的密封表面示意圖（a)孔欄和邊界分布示意圖孔欄和邊界分布示意圖 (c)(c)方孔幾何參數方孔幾何參數 圖圖2.3 具有方孔的密封表面示意圖具有方孔的密封表面示意圖 (b) 控制單元示意圖控制單元示意圖 根據浸油端面方孔機械密封的工作原理可知根據浸油端面方孔機械密封的工作原理可知，該機械密封為流體動壓機械密封，所以可以采，該機械密封為流體動壓機械密封，所以可以采用流體膜潤滑穩(wěn)態(tài)雷諾控制方程用流體膜潤滑穩(wěn)態(tài)雷諾控制方程。 確定了確定了壓壓力和液膜厚度等力和液膜厚度等邊邊界界條條件，件，就可以就可以進進行浸油端面方孔機械密封的解析行浸油端面方孔機械密封的解析研研究、究、數值數值分

8、分析和析和參數研參數研究究。 xhUzphzxphx)(6)()(33三、油膜壓力的解析計算三、油膜壓力的解析計算(1)徑向端面平均壓力分布徑向端面平均壓力分布 開孔部分的徑向液膜平均壓力為：開孔部分的徑向液膜平均壓力為：rhRRhRRhRRhRRhhwrRRRrPPPrpRrRghoigghoigoiiiihg3132122100)()()()(16)()(,時當 未開孔部分的徑向平均液膜壓力為未開孔部分的徑向平均液膜壓力為：hhhohohiiigigiRRRrPPPrpRrRRRRrPPPrpRrR00)()(,)()(,時當時當（2）周向端面平均壓力分布周向端面平均壓力分布xhRRhRR

9、hRRhRRhhRRwRRhRRhRRhRRhRRhhRRwRRRRRPPPxpRRxghoigghoigoioioghoigghoigoioiiioiigh313212213132122100)()()()(1262)()()()(126)2)()(,0時當)( 21)()()()(262)()()()(126)2)()(,)( 2313212123132122100 xRRhRRhRRhRRhRRhhRRwRRhRRhRRhRRhRRhhRRwRRRRRPPPxpRRrRRghghoigghoigoioioghoigghoigoioiiioiighgh時當算例驗證算例驗證圖圖3.1 端面液

10、膜周向壓力分布端面液膜周向壓力分布圖圖3.2 不同壓差下方孔深度對摩擦力影響不同壓差下方孔深度對摩擦力影響另通過一具體密封結構進行算例驗證，得到：另通過一具體密封結構進行算例驗證，得到：端面液膜徑向壓力平均分布端面液膜徑向壓力平均分布 端面液膜周向壓力平均分布端面液膜周向壓力平均分布 根據壓力分布情況計算得到徑向端面密封環(huán)開啟力根據壓力分布情況計算得到徑向端面密封環(huán)開啟力=131.109N周向端面密封環(huán)開啟力周向端面密封環(huán)開啟力=130.048N;文獻文獻開啟力開啟力F=138.702N。四、四、浸油端面方孔機械密封摩擦學性能參數計算浸油端面方孔機械密封摩擦學性能參數計算 本文用有限差分方法求

11、解極坐標形式本文用有限差分方法求解極坐標形式的的液膜液膜潤滑穩(wěn)態(tài)雷諾方程潤滑穩(wěn)態(tài)雷諾方程：)(6)(1)(33hwrphrrphrr 可以得到端面可以得到端面間間的的壓壓力分布，利力分布，利Mathcad計算機軟件計算機軟件編編制相制相應應的的計計算程序算程序。推得壓力迭代計算表達式推得壓力迭代計算表達式為為：jijijijijijijijijijiEpDpCpBpAp,1,1, 1, 1,jijijijijijijijijijijijijijijiFElEFDlDFClCFBlBFAlA,;)2)(2()2)(2()2)(1()2)(1(;)2(6)2(6;)2)(1(;)2)(1(;)2)

12、(2(;)2)(2(, 1,13, 1,131,31,31,31,31,31,3, 1,1,3, 1,1,jijiiijijiiijijiijijiijijijiijijiijijijiijijijiijijijiiijijijiiijihhrrrhhrrrhhrrhhrrFhhrrwhhrrwElhhrrDlhhrrClhhrrrBlhhrrrAl式中：式中：程序驗算程序驗算三維壓力分布對比三維壓力分布對比（a）有限差分法三維壓力分布）有限差分法三維壓力分布 （b）文獻三維壓力分布）文獻三維壓力分布操作參數對開啟力影響操作參數對開啟力影響對比對比五、摩擦學性能計算結果分析與討論五、摩擦學性能

13、計算結果分析與討論 膜厚度分布膜厚度分布端面間壓力分布端面間壓力分布（1）液膜三維壓力分布液膜三維壓力分布 (a) 介介質為潤質為潤滑油滑油 (b) 介介質為質為水水 圖圖5.2 有有壓壓差差單個單個孔孔欄欄三三維壓維壓力分布力分布 (a) 介質為潤滑油介質為潤滑油 (b) 介質為水介質為水 圖圖5.3 無壓差單個孔欄液膜三維壓力分布無壓差單個孔欄液膜三維壓力分布（2）端面間二維平均壓力分布）端面間二維平均壓力分布 (a) 介質為潤滑油介質為潤滑油 (b) 介質為水介質為水 圖圖5.4 有壓差周向平均壓力分布圖有壓差周向平均壓力分布圖 (a) 介質為潤滑油介質為潤滑油 (b) 介質為水介質為水

14、 圖圖5.5 有壓差周向平均壓力分布有壓差周向平均壓力分布 (a) 介質為潤滑油介質為潤滑油 (b) 介質為水介質為水 圖圖5.6 無壓差徑向平均壓力分布無壓差徑向平均壓力分布 (a) 介質為潤滑油介質為潤滑油 (b) 介質為水介質為水 圖圖5.7 無壓差周向平均壓力分布圖無壓差周向平均壓力分布圖 不同不同操作操作和結構和結構參數對摩擦學性能的影響參數對摩擦學性能的影響（1）轉速對摩擦學性能的影響）轉速對摩擦學性能的影響（2）介質粘度對摩擦學性能的影響）介質粘度對摩擦學性能的影響（3）非孔區(qū)膜厚對摩擦學性能的影響）非孔區(qū)膜厚對摩擦學性能的影響（4）開孔深度對摩擦學性能的影響）開孔深度對摩擦學性

15、能的影響六、六、密封端面平均溫度和溫度場計算及結果分析密封端面平均溫度和溫度場計算及結果分析 機械密封的端面溫度的確定與控制是機械密機械密封的端面溫度的確定與控制是機械密封最關鍵的技術之一，降低端面溫升能夠有效的封最關鍵的技術之一，降低端面溫升能夠有效的保證機械密封運轉穩(wěn)定性及延長其使用壽命。保證機械密封運轉穩(wěn)定性及延長其使用壽命。 機械密封環(huán)與翅片在形狀上類似，因此將翅機械密封環(huán)與翅片在形狀上類似，因此將翅片理論求解機械密封的溫度分布并推導其端面平片理論求解機械密封的溫度分布并推導其端面平均溫度和溫度場分布式。均溫度和溫度場分布式。 密封環(huán)接觸端面平均溫度計算公式為：密封環(huán)接觸端面平均溫度計

16、算公式為：fHHpbTAHAHET222111 浸油端面方孔機械密封溫度場計算公式為：浸油端面方孔機械密封溫度場計算公式為：chmlxlchmTeeeeTTbmlmlxlmxlmb)()()(算例驗證算例驗證不同參數對端面平均溫度的影響不同參數對端面平均溫度的影響不同參數對溫度場分布的影響不同參數對溫度場分布的影響（1）介質粘度對溫度場分布的影響）介質粘度對溫度場分布的影響 介質粘度對動環(huán)溫度分布影響介質粘度對動環(huán)溫度分布影響 介質粘度對靜環(huán)環(huán)溫度分布影響介質粘度對靜環(huán)環(huán)溫度分布影響（2）轉速對溫度場分布的影響）轉速對溫度場分布的影響 轉速對動環(huán)溫度分布影響轉速對動環(huán)溫度分布影響 轉速對靜環(huán)環(huán)

17、溫度分布影響轉速對靜環(huán)環(huán)溫度分布影響（3）非孔區(qū)膜厚對溫度場分布的影響）非孔區(qū)膜厚對溫度場分布的影響非孔區(qū)膜厚對動環(huán)溫度分布影響非孔區(qū)膜厚對動環(huán)溫度分布影響 非孔區(qū)膜厚對靜環(huán)溫度分布影非孔區(qū)膜厚對靜環(huán)溫度分布影響響（4）開孔深度對溫度場分布的影響）開孔深度對溫度場分布的影響 開孔深度對動環(huán)溫度分布影響開孔深度對動環(huán)溫度分布影響 開孔深度對靜環(huán)溫度分布影響開孔深度對靜環(huán)溫度分布影響七、結論七、結論 1.相同工況條件下，解析和有限差分所得壓相同工況條件下，解析和有限差分所得壓力分布情況及對摩擦學性能參數影響基本一致。力分布情況及對摩擦學性能參數影響基本一致。 2.壓差壓差大小大小、介質、介質特性對

18、特性對液膜壓力三維分布情液膜壓力三維分布情況有著直接影響。況有著直接影響。 3.密封環(huán)轉速越大，開啟力、液膜剛度、泄漏密封環(huán)轉速越大，開啟力、液膜剛度、泄漏率、摩擦力矩和摩擦系數呈線性越大率、摩擦力矩和摩擦系數呈線性越大；介質粘度介質粘度越大，密封開啟力、液膜剛度、摩擦力矩和摩擦越大，密封開啟力、液膜剛度、摩擦力矩和摩擦系數越大，泄漏率越小，當粘度系數越大，泄漏率越小，當粘度 Pas時，時，泄漏率降低趨勢基本平緩；非孔區(qū)膜厚泄漏率降低趨勢基本平緩；非孔區(qū)膜厚 ，開孔深度在開孔深度在 范圍時，具有較好的摩擦學性范圍時，具有較好的摩擦學性能能。3102m5m62 4.在相同介質粘度、轉速和端面膜厚的條件在相同介質粘度、轉速和端面膜厚的條件下，端面方孔機械密封比普通