以深海推进器等水下设备用机械密封为研究对象,建立机械密封环模型,考虑深海变工况下接触端面摩擦因数的差异性,采用分离法分别对机械密封动、静环端面进行热-力耦合变形分析,并对分别考虑密封环热变形、力变形、热-力耦合变形的分析结果进行比较。结果表明接触端面摩擦因数大小与介质压力、转速、液膜厚度等因素有关,端面摩擦因数随介质压力增大而减小,随转速增大而增大,随液膜厚度增大而减小;单一力变形、热变形分析与热-力耦合变形分析结果差别较大,热-力耦合分析结果要比单一变形分析更接近实际、分析更准确;瞬态工况下,端面温度及端面接触应力峰值均出现由外向内的变化趋势,端面接触状态受端面温度分布影响明显。

以镶嵌式机械密封为研究对象,通过受力分析和热传导方程,将热、力两个物理场进行耦合求解,建立机械密封动环组件热力耦合仿真模型。基于热力耦合模型计算不同应力情况下端面变形量和不同过盈量下的结合面接触应力、端面变形量,并分析动环厚度对端面温度场、应力分布以及端面变形量的影响。结果表明,热应力对端面变形的影响大于结构应力,故不能忽略热应力对机械密封组件的影响;动环过盈量增大使得端面变形量和结合面接触应力逐渐增大,动环厚度的增大使得最大温度呈下降趋势,最高温度出现在动环内径处,端面间隙由收敛型转变为发散型。因此,在对机械密封结构进行设计时,采用较小的过盈量和动环厚度,可以减少动环端面的变形量。

针对菱形孔织构端面液体润滑机械密封,采用有限元法求解Reynolds方程,研究不同工况条件下、结构和材料的静圆环与之配对动圆环的力变形情况及摩擦扭矩、开启力和液膜刚度等的变化规律,分析端面变形对密封性能的影响。结果表明:菱形孔织构及静压差可使密封端面产生周期性波式和径向锥度变形,变形又将产生新的动压和静压效应,与原来的菱形孔织构和静压差产生的动、静压效应相互叠加,可显著增强机械密封的性能;弹性模量和密封环厚度对端面变形及密封性能也有较大影响;另外,端面变形并非均为有害行为,最小变形并非对应最佳密封性能,应针对具体工况、结构和材料对端面密封进行优化设计,以期获得最佳密封结构。

针对在深海湖泊等复杂极端工况下船舶艉轴由于密封端面变形产生过大间隙,导致泄漏的问题,通过建立船舶艉轴热-力耦合分析模型,分析不同工况下,3组典型密封端面材料组对(YNW8-M106D、SiC-M106D、S30408-M106D)的密封环端面温度、应力及变形变化规律;分析海水环境下材料、转速及弹簧比压等主要影响因素及密封端面变形的影响及影响程度和权重。结果表明:转速升高100%,使得密封端面温度、应力及变形增加35%,43%及49%,弹簧比压升高100%,使得密封端面温度、应力及变形增加17%,5%及14%,应限制其最大值,防止密封失效;材料的热膨胀系数及导热系数对密封端面的影响最大,合理选取动静环材料有利于减少端面变形;选取出适合转速400 r/min、弹簧比压0.2工况下的最优材料(Si C-M106D)配对,使得船舶艉轴平衡可靠并长寿命运转。本文的模型和计算方法可为船舶艉轴密封结构的设计

针对机械密封在高速干摩擦状态下,因设计不当产生端面过度变形和磨损而引起的密封失效问题,建立了热-结构耦合数值计算模型,分析了密封的温度场和端面变形。试验测试了静环温升,分析了动静环端面特征,探讨了高速干摩擦状态下的磨损机制。研究结果表明:建立的有限元模型能准确地预测密封的温度和端面变形,计算值和试验值相差小于11%;密封端面峰值温度对转速更敏感,随着运转时间的延长,温度先迅速增加后逐渐变缓;静环易产生锥度变形,造成端面接触压力和磨损不均匀,静环座的“匡正”作用能够改善这类变形;摩擦转移膜的存在状态对密封的温升、端面粗糙度起关键作用,动环表面喷涂Cr2O3等金属氧化物,能较好地保持致密的石墨转移膜,减轻密封的磨损。研究结果为机械密封的设计、优化和应用提供了基础。

介绍了进口甲醇泵机械密封的使用情况,提出了国产化改造的设计方案。分析了整体石墨密封环和镶装式石墨密封环的压力变形情况,密封介质压力使石墨环密封端面产生负锥度变形,且随着密封压力的增大而增大。金属镶装式结构能显著增加石墨环的整体刚度,减少密封环的变形。通过选用与石墨材料不同膨胀系数的金属材料镶装石墨环,提高了密封环的整体刚度,并且密封环的热变形方向与压力变形方向相反,减小了密封端面的总变形,提高了机械密封的运行可靠性。技术改造方案得到了实施,效果良好。

提出一种航空发动机主轴承端适用密封——柔性端面气膜密封。通过对三种密封端面变形情况下的压力控制方程进行求解,获得密封气膜微尺度流场特性的演变规律,并探讨关键密封性能参数与工况条件的相关性。研究结果表明:柔性端面在带压气膜的作用下发生变形,其中波箔片的变形起主导作用,平箔片的影响可忽略不计;相较于刚性端面,柔性端面可有效增大气膜开启力,同时泄漏量也增大;在不同进出口压力比、转速以及初始气膜厚度下,二者部分密封特性呈现出不同的变化趋势,间隙楔形效应使柔性端面的黏性摩擦力矩和气膜刚度变化率均小于刚性端面的相应数值。通过研究结果推断,柔性端面结构可在高速低压工况下具有更稳定的综合密封性能。

镶装静环具有增强密封环强度、降低成本的优点,但长期待机过程中镶装静环的蠕变会导致密封失效。本文采用ANSYS软件建立镶装静环的蠕变分析模型,分析了镶装长度、镶装静环座壁厚、镶装过盈量对蠕变后的接触应力和端面变形量的影响,并进行试验验证。结果表明,蠕变后的接触应力随镶装长度的增加而减小,随静环座壁厚、过盈量的增加而增大;蠕变后的端面变形随镶装长度、过盈量的增加而增大,随静环座壁厚的增加而减小。本研究为长期待机的镶装机械密封的设计提供了一定参考。