基于双向双列菱形孔织构端面流体密封的理论控制模型,采用有限元分析的方法研究菱形孔结构、排布方式和工况参数对密封性能的影响规律,研究菱形孔双向泵送作用对机械密封动压润滑性能影响规律及内在运行机制。结果表明随外压增大,内外径处的压差逐渐增强,开启力和泄漏率逐渐增大,液膜刚度是先减再增而后减小;随转速增加,开启力、液膜刚度和泄漏率均呈快速增大的变化趋势;随着基础膜厚增大,开启力、液膜刚度先快后缓慢减小,而泄漏率则迅速增加;端面加工出的双向双列菱形孔织构可将间隙内流体进行回吸,从而减少泄漏率,提高了端面间隙的润滑性能,通过排布形式各异的菱形孔及结构参数的优化设计可实现密封特性的提升。

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。

考虑密封系统各组件间接触受力及封闭流体与端面间的力作用,提出锥/孔组合型动压机械密封,构建端面密封流/固耦合理论模型,并将相应的有限元软件与计算机语言编程相结合,通过迭代计算获得端面膜压场及其变形情况,探究端面锥度和锥面宽度比在低、高压工况下对密封性能的影响规律。结果表明:随锥度?的增大,高压区缩小,低压区扩张,孔区内液体所形成的压力峰值越来越陡峭,使得静圆环端面上产生周期性波式变形和倾斜锥度变形,变形情况与膜压场的形状相类似;动圆环端面锥度变形比较明显,波式变形不明显,且随?的增大,锥度变形也越来越大。无论是对于较低速、低压或是较高速、高压状态下的机械密封,当端面特征几何结构参数选取为锥度?=0.8~1.6、锥面宽度比γ=0.8~1时,机械密封均可获得优良的综合性能。