1、LOGO 答 辩 人：丁 洋 指导教师：宋鹏云 教授昆明理工大学硕士学位论文答辩昆明理工大学硕士学位论文答辩 浸油端面方孔机械密封摩擦学 性能研究 目录目录一、绪论二、浸油端面方孔机械密封流体力学分析三、油膜压力的解析计算四、油膜压力的数值计算五、摩擦学性能计算结果分析与讨论六、密封端面平均温度和温度场计算及结果分析七、结论一、绪论一、绪论 其中端面造型机械密封就是近几年来发展非常其中端面造型机械密封就是近几年来发展非常迅速的当今机械密封领域的一项高新技术，适用迅速的当今机械密封领域的一项高新技术，适用与大部分高压、高温、高速、易燃和腐蚀性介质与大部分高压、高温、高速、易燃和腐蚀性介质等复杂工
2、况，并在离心泵、离心压缩机和反应釜等复杂工况，并在离心泵、离心压缩机和反应釜等过程设备上取得了成功应用。等过程设备上取得了成功应用。可靠性高磨损小寿命长泄漏低密封环境变化工业技术发展 机械密封端面摩擦状态是决定其密封性能的机械密封端面摩擦状态是决定其密封性能的重要因素，也是近来学者们研究的重点问题之一。重要因素，也是近来学者们研究的重点问题之一。虽然目前国内外研究人员对一些端面造型机械密虽然目前国内外研究人员对一些端面造型机械密封的摩擦学性能进行了研究，出现了许多机械密封的封的摩擦学性能进行了研究，出现了许多机械密封的新新结构，但在高温、高压、高转速工况条件下，必要的结构，但在高温、高压、高转
3、速工况条件下，必要的润润滑条件很难保证，以至密封环端面发生非正常摩擦磨滑条件很难保证，以至密封环端面发生非正常摩擦磨损，降低其使用寿命。损，降低其使用寿命。浸油端面方孔机械密封是在端面造型机械密封基浸油端面方孔机械密封是在端面造型机械密封基础上发展而来的一种新型的流体动压型非接触机械密础上发展而来的一种新型的流体动压型非接触机械密封，与普通密封相比，不仅具有更加优良的密封性，封，与普通密封相比，不仅具有更加优良的密封性，更能达到良好的端面摩擦状况，保证密封的稳定运行，更能达到良好的端面摩擦状况，保证密封的稳定运行，极大地延长密封的寿命极大地延长密封的寿命.浸油端面方孔机械密封的研究浸油端面方孔
4、机械密封的研究国内还未见报道，至今未有商品化的产品面世。国内还未见报道，至今未有商品化的产品面世。解析求解密封端面液膜压力解析求解密封端面液膜压力数值求解密封端面液膜压力数值求解密封端面液膜压力分析分析参数对参数对摩擦摩擦学学性能的影性能的影响响解析求解密封温度分布解析求解密封温度分布 研究意义研究意义 提出油膜压力解析新算法，并优化参数提高摩擦学性能奠定设计理论基础，降低制造成本二、浸油端面方孔机械密封流体力学分析二、浸油端面方孔机械密封流体力学分析 图图2.1 端面方孔的密封环端面方孔的密封环 图图2.2 端面开方孔示意图端面开方孔示意图 工作原理工作原理 浸油端面方孔机械密封其工作原理为
5、：随着密封运转浸油端面方孔机械密封其工作原理为：随着密封运转润滑油内部产生的粘性剪切力带动润滑油从方孔内向孔外润滑油内部产生的粘性剪切力带动润滑油从方孔内向孔外间隙运动，从而形成了润滑油的流动，由于润滑油流动的间隙运动，从而形成了润滑油的流动，由于润滑油流动的收敛性而使压力增加，从而产生流体动压效应。当润滑油收敛性而使压力增加，从而产生流体动压效应。当润滑油的动压力和环境压力共同作用形成的密封开启力超过闭合的动压力和环境压力共同作用形成的密封开启力超过闭合力时，使两密封端面完全分离处于非接触状态，并在密封力时，使两密封端面完全分离处于非接触状态，并在密封端面间形成一层稳定连续的油膜，此时密封端
6、面间的摩擦端面间形成一层稳定连续的油膜，此时密封端面间的摩擦为流体摩擦，且在密封运转时，贮存润滑油的方孔能够不为流体摩擦，且在密封运转时，贮存润滑油的方孔能够不断地提供润滑油，保证端面的流体摩擦状态，进而极大地断地提供润滑油，保证端面的流体摩擦状态，进而极大地改善密封端面的摩擦状态，延长密封使用寿命改善密封端面的摩擦状态，延长密封使用寿命（a)孔栏和边界分布示意图孔栏和边界分布示意图 (c)方孔几何参数方孔几何参数 图图2.3 具有方孔的密封表面示意图具有方孔的密封表面示意图 （a)孔栏和边界分布示意图孔栏和边界分布示意图 (c)(c)方孔几何参数方孔几何参数 图图2.3 具有方孔的密封表面示
7、意图具有方孔的密封表面示意图（a)孔栏和边界分布示意图孔栏和边界分布示意图 (c)(c)方孔几何参数方孔几何参数 图图2.3 具有方孔的密封表面示意图具有方孔的密封表面示意图 (b)控制单元示意图控制单元示意图 根据浸油端面方孔机械密封的工作原理可知根据浸油端面方孔机械密封的工作原理可知，该机械密封为流体动压机械密封，所以可以采，该机械密封为流体动压机械密封，所以可以采用流体膜润滑稳态雷诺控制方程用流体膜润滑稳态雷诺控制方程。确定了确定了压压力和液膜厚度等力和液膜厚度等边边界界条条件，件，就可以就可以进进行浸油端面方孔机械密封的解析行浸油端面方孔机械密封的解析研研究、究、数值数值分分析和析和参
8、数研参数研究究。xhUzphzxphx)(6)()(33三、油膜压力的解析计算三、油膜压力的解析计算(1)径向端面平均压力分布径向端面平均压力分布 开孔部分的径向液膜平均压力为：开孔部分的径向液膜平均压力为：rhRRhRRhRRhRRhhwrRRRrPPPrpRrRghoigghoigoiiiihg3132122100)()()()(16)()(,时当 未开孔部分的径向平均液膜压力为未开孔部分的径向平均液膜压力为：hhhohohiiigigiRRRrPPPrpRrRRRRrPPPrpRrR00)()(,)()(,时当时当（2）周向端面平均压力分布周向端面平均压力分布xhRRhRRhRRhRRh
9、hRRwRRhRRhRRhRRhRRhhRRwRRRRRPPPxpRRxghoigghoigoioioghoigghoigoioiiioiigh313212213132122100)()()()(1262)()()()(126)2)()(,0时当)(21)()()()(262)()()()(126)2)()(,)(2313212123132122100 xRRhRRhRRhRRhRRhhRRwRRhRRhRRhRRhRRhhRRwRRRRRPPPxpRRrRRghghoigghoigoioioghoigghoigoioiiioiighgh时当算例验证算例验证图图3.1 端面液膜周向压力分布端面
10、液膜周向压力分布图图3.2 不同压差下方孔深度对摩擦力影响不同压差下方孔深度对摩擦力影响另通过一具体密封结构进行算例验证，得到：另通过一具体密封结构进行算例验证，得到：端面液膜径向压力平均分布端面液膜径向压力平均分布 端面液膜周向压力平均分布端面液膜周向压力平均分布 根据压力分布情况计算得到径向端面密封环开启力根据压力分布情况计算得到径向端面密封环开启力=131.109N周向端面密封环开启力周向端面密封环开启力=130.048N;文献文献开启力开启力F=138.702N。四、四、浸油端面方孔机械密封摩擦学性能参数计算浸油端面方孔机械密封摩擦学性能参数计算 本文用有限差分方法求解极坐标形式本文用
11、有限差分方法求解极坐标形式的的液膜液膜润滑稳态雷诺方程润滑稳态雷诺方程：)(6)(1)(33hwrphrrphrr 可以得到端面可以得到端面间间的的压压力分布，利力分布，利Mathcad计算机软件计算机软件编编制相制相应应的的计计算程序算程序。推得压力迭代计算表达式推得压力迭代计算表达式为为：jijijijijijijijijijiEpDpCpBpAp,1,1,1,1,jijijijijijijijijijijijijijijiFElEFDlDFClCFBlBFAlA,;)2)(2()2)(2()2)(1()2)(1(;)2(6)2(6;)2)(1(;)2)(1(;)2)(2(;)2)(2(,
12、1,13,1,131,31,31,31,31,31,3,1,1,3,1,1,jijiiijijiiijijiijijiijijijiijijiijijijiijijijiijijijiiijijijiiijihhrrrhhrrrhhrrhhrrFhhrrwhhrrwElhhrrDlhhrrClhhrrrBlhhrrrAl式中：式中：程序验算程序验算三维压力分布对比三维压力分布对比（a）有限差分法三维压力分布）有限差分法三维压力分布 （b）文献三维压力分布）文献三维压力分布操作参数对开启力影响对比操作参数对开启力影响对比五、摩擦学性能计算结果分析与讨论五、摩擦学性能计算结果分析与讨论 膜厚度分布
13、膜厚度分布端面间压力分布端面间压力分布（1）液膜三维压力分布液膜三维压力分布 (a)介介质为润质为润滑油滑油 (b)介介质为质为水水 图图5.2 有有压压差差单个单个孔孔栏栏三三维压维压力分布力分布 (a)介质为润滑油介质为润滑油 (b)介质为水介质为水 图图5.3 无压差单个孔栏液膜三维压力分布无压差单个孔栏液膜三维压力分布（2）端面间二维平均压力分布）端面间二维平均压力分布 (a)介质为润滑油介质为润滑油 (b)介质为水介质为水 图图5.4 有压差周向平均压力分布图有压差周向平均压力分布图 (a)介质为润滑油介质为润滑油 (b)介质为水介质为水 图图5.5 有压差周向平均压力分布有压差周向
14、平均压力分布 (a)介质为润滑油介质为润滑油 (b)介质为水介质为水 图图5.6 无压差径向平均压力分布无压差径向平均压力分布 (a)介质为润滑油介质为润滑油 (b)介质为水介质为水 图图5.7 无压差周向平均压力分布图无压差周向平均压力分布图 不同不同操作操作和结构和结构参数对摩擦学性能的影响参数对摩擦学性能的影响（1）转速对摩擦学性能的影响）转速对摩擦学性能的影响（2）介质粘度对摩擦学性能的影响）介质粘度对摩擦学性能的影响（3）非孔区膜厚对摩擦学性能的影响）非孔区膜厚对摩擦学性能的影响（4）开孔深度对摩擦学性能的影响）开孔深度对摩擦学性能的影响六、六、密封端面平均温度和温度场计算及结果分析
15、密封端面平均温度和温度场计算及结果分析 机械密封的端面温度的确定与控制是机械密机械密封的端面温度的确定与控制是机械密封最关键的技术之一，降低端面温升能够有效的封最关键的技术之一，降低端面温升能够有效的保证机械密封运转稳定性及延长其使用寿命。保证机械密封运转稳定性及延长其使用寿命。机械密封环与翅片在形状上类似，因此将翅机械密封环与翅片在形状上类似，因此将翅片理论求解机械密封的温度分布并推导其端面平片理论求解机械密封的温度分布并推导其端面平均温度和温度场分布式。均温度和温度场分布式。密封环接触端面平均温度计算公式为：密封环接触端面平均温度计算公式为：fHHpbTAHAHET222111 浸油端面方
16、孔机械密封温度场计算公式为：浸油端面方孔机械密封温度场计算公式为：chmlxlchmTeeeeTTbmlmlxlmxlmb)()()(算例验证算例验证不同参数对端面平均温度的影响不同参数对端面平均温度的影响不同参数对温度场分布的影响不同参数对温度场分布的影响（1）介质粘度对温度场分布的影响）介质粘度对温度场分布的影响 介质粘度对动环温度分布影响介质粘度对动环温度分布影响 介质粘度对静环环温度分布影响介质粘度对静环环温度分布影响（2）转速对温度场分布的影响）转速对温度场分布的影响 转速对动环温度分布影响转速对动环温度分布影响 转速对静环环温度分布影响转速对静环环温度分布影响（3）非孔区膜厚对温度
17、场分布的影响）非孔区膜厚对温度场分布的影响非孔区膜厚对动环温度分布影响非孔区膜厚对动环温度分布影响 非孔区膜厚对静环温度分布影非孔区膜厚对静环温度分布影响响（4）开孔深度对温度场分布的影响）开孔深度对温度场分布的影响 开孔深度对动环温度分布影响开孔深度对动环温度分布影响 开孔深度对静环温度分布影响开孔深度对静环温度分布影响七、结论七、结论 1.相同工况条件下，解析和有限差分所得压相同工况条件下，解析和有限差分所得压力分布情况及对摩擦学性能参数影响基本一致。力分布情况及对摩擦学性能参数影响基本一致。2.压差压差大小大小、介质、介质特性对特性对液膜压力三维分布情液膜压力三维分布情况有着直接影响。况
18、有着直接影响。3.密封环转速越大，开启力、液膜刚度、泄漏密封环转速越大，开启力、液膜刚度、泄漏率、摩擦力矩和摩擦系数呈线性越大率、摩擦力矩和摩擦系数呈线性越大；介质粘度介质粘度越大，密封开启力、液膜刚度、摩擦力矩和摩擦越大，密封开启力、液膜刚度、摩擦力矩和摩擦系数越大，泄漏率越小，当粘度系数越大，泄漏率越小，当粘度 Pas时，时，泄漏率降低趋势基本平缓；非孔区膜厚泄漏率降低趋势基本平缓；非孔区膜厚 ，开孔深度在开孔深度在 范围时，具有较好的摩擦学性范围时，具有较好的摩擦学性能能。3102m5m62 4.在相同介质粘度、转速和端面膜厚的条件在相同介质粘度、转速和端面膜厚的条件下，端面方孔机械密封比普通机械密封具有更低下，端面方孔机械密封比普通机械密封具有更低的端面平均温度的端面平均温度；端面方孔机械密封的端面平均端面方孔机械密封的端面平均温度随介质粘度和转速的提高而增大，其中介质温度随介质粘度和转速的提高而增大，其中介质粘度对端面平均温度的影响非常显著粘度对端面平均温度的影响非常显著；浸油；浸油端面端面方孔机械密封的端面平均温度随着非孔区膜厚的方孔机械密封的端面平均温度随着非孔区膜厚的增加而减小，在膜厚增加而减小，在膜厚 时，减小趋势变化时，减小趋势变化剧烈，当膜厚剧烈，当膜厚 时，减小趋势变得平缓时，减小趋势变得平缓。mho2mho4谢谢，请各位老师批评指正！
