为了进一步提升干气密封端面流体膜动压效应,提出一种新型组合槽端面干气密封,该组合槽由两个相邻的螺旋槽周向部分重叠组合而成,包括一个长螺旋槽,一个短螺旋槽,两槽的槽深及径向长度不同。建立该组合槽与传统槽端面密封的数学模型,并运用有限差分法对其密封性能进行数值分析。结果表明新型组合槽在端面间隙约小于1.5μm区域,流体膜开启力大于传统槽,且间隙越小,两者差值越大;泄漏量亦大于传统槽,但其值远小于泄漏量的设计值;在端面间隙约小于3.5μm区域,新型组合槽流体膜刚度显著大于传统槽,且间隙越小,两者差值越大。鉴于组合槽在泄漏量不超标的情况下,在间隙较小时端面流体膜具有更大的刚度、开启力及刚漏比,其综合性能显著优于传统槽型密封。

提出一种斜线槽上游泵送机械密封,运用正交试验法设计上游泵送机械密封试验方案,基于Fluent软件进行数值模拟试验,分析各个试验参数对密封端面开启力和泄漏量的影响。结果表明在试验参数的取值范围内,对开启力有显著影响的因素是槽数、径向夹角、槽深、液膜厚度、转速和压差,具体表现为开启力随着径向夹角、槽深、液膜厚度、转速和进出口压差的增大呈上升趋势,随着槽数的增多呈下降趋势;对泄漏量有显著影响的因素是槽深、槽宽比、液膜厚度、转速和压差,具体表现为泄漏量槽宽比、液膜厚度、转速和进出口压差的增大呈上升趋势,随着槽数的增多而呈下降趋势。依据正交试验分析结果,提出初步优化的密封端面结构参数。

高温会降低磁流体饱和磁化强度,造成永磁铁退磁,影响磁流体密封装置的可靠性及稳定性。为探讨磁流体密封装置传热特性,以大轴径离心压缩机磁流体密封为研究对象,同时考虑磁流体摩擦热和轴承摩擦热对磁流体密封装置传热特性的影响,利用有限元数值计算与磁流体、轴承摩擦功耗理论分析相结合的方法,研究磁流体密封装置温度分布规律,分析齿宽、密封间隙和转速对永磁铁和磁流体最高稳态温度的影响,并确定相关工况所需冷却液质量流率。结果表明:由于轴径尺寸较大,表面线速度高,磁流体黏性摩擦热及轴承摩擦热对密封装置传热特性有显著影响,在无冷却工况下,密封装置最高温度超过磁流体和永磁铁的极限使用温度,需通过强制对流换热的方式进行降温处理;永磁铁及磁流体最高稳态温度随着齿宽增加而升高,随着密封间隙增加而减小;随着转速的增加

针对现有密封方式难以解决离心压缩机旋转主轴线速度高所引发的密封困难问题,设计一种带有降温和降压功能的新型磁流体密封装置,基于磁流体运动方程建立考虑离心力影响的磁流体旋转动密封耐压计算公式,利用有限元数值分析方法研究该密封装置密封间隙内磁感应强度分布规律,分析各结构参数对密封性能的影响,运用正交试验和响应曲面优化方法对关键结构参数进行优化设计。结果表明:当转轴线速度较高时,离心力对密封性能有显著影响;密封压力值随着永磁铁厚度和永磁铁宽度的增加,先增加后趋于平稳,随着密封间隙的增加而降低,随着齿宽、齿高和槽宽增加,先增加后减小,各参数对密封性能的影响程度由大到小依次为密封间隙、齿宽、槽宽、永磁铁宽度、齿高、永磁铁厚度;优化后磁流体密封的结构参数为密封间隙0.1 mm、极齿宽度1.274 mm、齿高1.8

针对传统密封方式应用于往复密封存在磨损和泄漏的问题,以立式柱塞泵为研究对象,设计一种带有斯特密封的新型磁流体密封装置。利用有限元数值分析软件获得磁流体密封件间隙内磁感应强度分布,计算其理论耐压值,分析密封间隙、齿宽、齿高、槽宽等关键参数对密封压力值的影响,并运用响应曲面优化方法对其进行优化设计。结果表明:初设密封装置理论耐压值为0.483 MPa;密封压力值与密封间隙成反比,密封压力值随着齿宽、齿高、槽宽的增大先增大后减小。优化后各结构参数分别为密封间隙0.2 mm,齿宽0.627 mm,齿高1.01 mm,槽宽1.84 mm时,理论密封压力值为0.529 MPa,相比优化前提升了9.5%,且远高于实际应用密封压力值。

液压马达作为页岩气旋转式井壁取心机器人钻头的直接驱动装置,其性能的优劣决定了整个取心机器人能否正常完成井下取心任务。根据川渝地区页岩气长水平段取心的高温、高压、高腐蚀等工作特点,对传统三齿轮液压马达进行适应性改进设计。根据齿轮马达的工作原理,分析了取心液压马达的排量、输出转矩、径向力等工作性能。分析表明,取心马达分别有两对高压腔和低压腔,实现了转矩的叠加,在相同体积情况下,其排量、输出转矩大,有利于在页岩气长水平段井下的狭小空间工作。

机械密封动力学性能对密封系统稳定性有很大的影响，微小的振动会导致密封泄漏量增加和端面磨损加剧。根据机械动力学基本原理，建立了流体静压机械密封轴向、角向振动的动力学耦合方程，并通过简化将其转化成相互独立的单自由度二阶微分方程。结合辅助密封圈的动态参数求解方法，通过MATLAB编程求出系统在内部微小扰动作用下，密封环在轴向和角向的动态响应曲线。分析表明，综合考虑振荡频率和振动幅度等因素，端面锥角保持在大于或等于2’的附近范围内，转折半径保持在大于或等于130mm的附近范围内，密封系统能够保持较好的稳定性。

外注式单体液压支柱在工作时超过临界载荷将发生失稳现象。根据静强度理论，对支柱稳定性及缸体、活柱的静强度进行分析，建立了活柱和缸体的有限元模型；通过ANSYS软件对活柱和缸体进行了静强度分析，得到相应的应力、应变结果。支柱的理论分析结果与有限元分析结果基本一致，说明建立的模型是正确的。分析结果为支柱的设计提供理论依据。