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密封流体压力效应研究

机械密封机理的研究主要集中在密封流体压力效应方面。无论是接触式机械密封还是非接触式机械密封,都希望通过流体动力压力效应提高密封的承载能力,从而减少摩擦、磨损和泄漏,提高 橡胶密封件 的可靠性,延长密封的使用寿命。确定机械密封流体压力效应的理论基础是雷诺方程,这是1886年雷诺提出的光滑理论的基本方程。机械密封流体力学压力效应的研究始于20世纪60年代初,至今已有大量的研究成果。但是,仍然存在一些未解决的问题。本研究的主要工作集中在以下三个方面。


1。平面端面密封的流体压力效应


规范的平衡和非平衡机械密封通常在光滑分界条件下工作,其冲突系数一般为f=0.07+0.03。在这种情况下,虽然密封间隙中有一个液层,但液层可能部分中断,几乎没有压力,因此没有明显的粘性效应。由于端到端的冲突热产生较高,即使是具有最佳导热和冷却特性的端到端配对数据也有一个低压速度极限,即pv值极限。为了提高密封的PV极限,扩大平面端密封的应用范围,有必要依靠密封端液膜的流体压力效应。Denny(1961)首次观察到两个密封面被一层薄薄的液膜堵塞。从那以后,为了更好地了解机械密封的工作机理,许多研究人员做了大量的工作,其中大部分都涉及到流体膜压力的机理。密封端面上的液膜压力主要取决于端面空隙的形状和比例,即液膜的形状和厚度。文件1和3详细回顾了已提出的各种压力机制。这些机制包括偏心和偏转、表面波纹度、表面粗糙度、相变、热弹性效应和振荡。研究结果表明,平面端部密封的主要工作处于混合冲突状态。流体膜承受很大一部分的载荷,而另一部分载荷则由端部微凸体的接触承载。


根据经典动水压力平滑理论,液体薄膜在平行平面滑动中不具有承载力。然而,Lebeck(1978)收集并分析了许多研究人员关于滑动轴承和机械端面密封中平行平面滑动的大量实验数据,得出结论:流体膜在平行平面滑动中也具有一定的流体压力效应,并能产生有用的承载力。通过对各种可能的承载机理(热楔、热密度、热粘度、滑凸体、碰摩效应)的详细理论分析和比较,指出这些机理在具体密封件的设计中可能有一定的作用,但一般来说,没有明显的承载能力会影响密封件的设计。但整体的歪斜,锥度和波纹度的外观可以发展。流体动压承载能力强,理论和实验研究表明,微波纹是流体动压承载的最可能机理。表面波纹度可分为两类:一类是加工过程中形成的表面微波纹度;另一类是磨损、弹性变形和热变形的综合作用引起的表面微波纹度。表面波纹的水动力压力效应逐渐引起世界各国学者的关注。先后提出了各种机械端部密封波纹度模型。


尽管存在一种能承受部分载荷的薄层流体膜,但一般来说,这种薄层流体膜是不完善的,并且有一部分凸体的直接接触。在高压、高速和低粘性条件下,微凸体的直接接触将是主要的承载部件。此时,密封的冲突和磨损非常严重,可能导致密封面温度急剧上升,液膜气化,导致密封失效。为了克服接触式机械密封的问题,提出了非接触式机械密封——流体动力和静液压机械密封。


2。流体力学密封中流体压力效应的研究


流体动力机械密封属于非接触式密封。密封面由几微米厚的成型膜隔开。冲突情况为纯流体平稳工作状态。这些密封件用于高压差、高速、光滑度差的介质密封(气体、沸腾液体、低温液体、密封件定制 等)。


在流体动力密封中,利用密封面的动能使端面形成对楔。停车时触摸密封面以消除泄漏。当密封件高速旋转时,密封面被一层薄薄的液膜隔开,显示出有限的泄漏,甚至没有泄漏。为了坚持密封面非接触工作状态,密封面间隙中的液体或气体液膜应承受捏合载荷,即液膜应具有流体动力刚度。


在流体动压密封中,流体与空隙收敛部分的压力在冲突力的作用下实现了摩擦副外观与捏合载荷的分离。在滑动速度方向上的空隙收敛阶段也可以通过密封面的切槽、开孔或台阶来实现。最广泛使用的结构是瑞利阶梯式、倾斜式和螺旋槽密封。


螺旋槽面密封用于液体的密封,可用作上游泵的密封。在上游泵密封中,密封相当于一个小流量高压泵,它将少量密封液沿着螺旋槽泵从低压侧输送到密封室的高压侧。萨伦特等人。提出了一种考虑螺旋槽表面上游泵密封空化效应的分析模型。萨伦特等人。文中讨论了贯穿整个密封面的流道(浅槽),并讨论了流道形状(斜槽和螺旋槽)对泄漏的影响。许多文献介绍了瑞利台阶、斜面、圆直叶片等非接触式上游泵密封及其算法。


密封件厂家 综上所述,流体动力密封是利用密封面微观形状模型产生流体动力效应的机械密封,其理论基础仍然是雷诺方程。这些微形状模型包括斜块(周向斜面、周向台阶、周向斜面)和各种流动槽(周向槽、直弦槽、三角槽、半圆槽、矩形槽、圆弧槽、叶片槽、螺旋槽、人字槽)。


三。流体力学密封中流体压力效应的研究


标准的平衡和非平衡机械密封通常在光滑的分离条件下工作。由于端到端的热冲突产生,即使是具有最佳导热率和冷却特性的端到端配对数据也具有较低的光伏极限。为了提高密封件的光伏限值,拓宽平面密封件的应用范围,满足现代工业向高参数方向发展的需要,有必要设计机械密封件,使其在低冲突系数下工作。密封面之间的良好薄膜将改善密封件的平稳工作状态,并有助于降低密封面的冲突系数。事实证明,热流体力学密封在这方面非常成功。


由于压力变形的非平行楔形效应称为压力楔形效应,由于温差部分热变形的楔形效应称为热楔形效应,压力变形和部分热变形的楔形效应称为热流体动力楔形效应。热流体力学密封是利用热流体动力的楔形效应产生流体动力的一种新型机械密封。热流体力学机械密封的结构与普通机械密封没有太大的区别,但在动、静密封环的端面上有各种形状的流槽。这些流槽的深度为毫米,属于深槽密封。


当热流体力学机械密封停止时,冲突对的表面是平行平面。在操作过程中,由于冲突产生的热量,密封圈受热不均。最热的区域是凹槽或钻孔之间的中央阶段,密封圈由工作介质冷却。由于加热和冷却不均匀,破坏了密封面的平整度,形成了会聚空隙区。根据热流体力学密封过程的复杂性和空隙和泄漏的大小,热流体力学密封介于接触式机械密封和非接触式机械密封之间。


E.Mayer是第一个发现并提出热流体力学效应的人,他利用非平衡机械密封上的压力测量孔测量密封间隙中的压力。在博士论文中,对径向矩形槽密封进行了实验研究。1969年,E.Mayer发表了圆形槽流体力学密封的实验结果。通过大量的实验研究表明,环形槽热液动压机械密封可以大大提高密封的PV值极限。结果表明,这种密封比一般机械密封优越,其摩擦系数随PV值的增大而减小。梅耶尔对流体动力机械密封的作用机理作了一些定性的描述。他认为,流体动力机械密封与圆形环槽的实践是结合米切尔或金斯伯里推力轴承和机械密封。在旋转过程中,由于槽的边缘比远离槽的部分冷却得更强烈,因此形成了热流体动力楔。梅耶尔的工作主要是实验研究。已有许多实用专利,但尚未提出合理的理论分析模型和方法。


Golubiev(1967)首次提出了完善的流体动力密封理论分析模型和方法。在模型中,假设密封件由金属环和碳石墨环组成。金属环密封面有几个微米深的划痕网络。两个划痕之间的距离为几毫米,碳石墨密封表面被认为是绝对光滑的。两个密封面完全由一层只有几微米的薄层隔开。在压差的作用下,液体先进入划痕,进入划痕的液体被高速旋转运动环的外表面压入空隙。由于冲突,空隙中的液体被加热,金属的外表面被加热膨胀。流体温度和金属环外表面沿运动方向逐渐升高,使金属膨胀不均匀。由于加热不均匀,划痕间的金属表面发生了倾斜,空洞成为会聚性空洞。此时,金属表面会产生水动力压力效应。


由于两个划痕之间的间隙和径向长度非常小,所以可以将问题简化为平面问题。基于流体力学和热弹性理论,提出了一套求解该问题的联立方程。这些方程包括运动方程、连续性方程、能量方程、粘性温度关系、金属环的热传导和空洞的变化方程。Golubiev的理论模型揭示了某些热变形中热楔效应的本质。令人遗憾的是,戈鲁比耶夫的理论没有得到实验的证实。


实际上,Golubiev的理论模型有一些不合理的地方:密封面间隙为几微米,与实际密封面粗糙度基本相同。此时应考虑表面粗糙度的影响,忽略径向压差的影响;金属环表面的划痕深度为几微米,实际上属于浅槽领域。划痕处的压力和温度之间的间隙一般不满足要求。


有趣的是,W.E.Key和R.F.Salant提出了带流体动力缓冲的深沟机械密封的理论分析模型。在柔性表面石墨环上设置槽形矩形槽时,考虑了径向锥度的流体静力学效应和槽形环外力变形形成的周向波纹的流体压力效应。这是一个压力楔模型。


我国对流体动力机械密封的试验研究已有一定的进展,但理论上还没有取得进展。


随着工程机械规模化、自动化、智能化、集成化的发展,许多机械旋转副在高温、高压、高速下工作。它们之间的工作条件直接影响到它们的机械性能,因此研究旋转轴的密封性具有十分重要的意义。


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