激光加工多孔端面機(jī)械密封變形的數(shù)值分析

發(fā)布日期:2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽:1930

針對離心泵用激光加工多孔端面機(jī)械密封,通過采用有限元法求解雷諾方程獲得密封端面流體膜壓分布,計(jì)算了不同約束、不同結(jié)構(gòu)動(dòng)、靜密封環(huán)的力變形以及端面泄漏量、液膜剛度和剛漏比等密封性能參數(shù),分析了變形對密封性能的影響。結(jié)果表明:端面變形對密封性能影響很大,將導(dǎo)致泄漏量增大,剛漏比減。幻芊猸h(huán)的約束對變形起著重要作用,選擇合適的約束可以減小密封面轉(zhuǎn)角,提高液膜剛度,增強(qiáng)密封工作穩(wěn)定性。


    1 理論模型


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圖1 LST-MS結(jié)構(gòu)和開孔端面幾何示意圖


    圖1LST-MS的結(jié)構(gòu)和端面幾何示意圖,其中的靜環(huán)端表面上采用激光加工出球形微孔,微孔沿徑向呈放射狀分布,沿周向呈等間距對稱分布。假設(shè)密封面不直接接觸,存在一定的厚度,且液膜壓力沿液膜厚度方向不變化,密封流體為牛頓流體且粘度保持不變,忽略密封面曲率的影響,則液膜壓力分布的穩(wěn)態(tài)控制方程,即雷諾方程為:


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    2 計(jì)算結(jié)果與分析


    2.1結(jié)構(gòu)/約束形式


 



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圖2 靜環(huán)的結(jié)構(gòu)及其約束示意圖



 


    選擇圖2所示靜環(huán)的4種結(jié)構(gòu)來研究LST-MS的變形及其對密封性能的影響。


    結(jié)構(gòu)1-3靜環(huán)尺寸與結(jié)構(gòu)不變,僅約束和B形圈位置不同,以研究不同約束方式對密封環(huán)變形的影響,其中,圖2(a)中的B形圈位置與結(jié)構(gòu)+、"不同,圖2(b)中的“/”邊軸向受約束,圖2(C)中的5-6邊軸向受約束。


    結(jié)構(gòu)靜環(huán)截面為矩形(圖2(d),靜環(huán)背面軸向受約束,用于研究密封環(huán)結(jié)構(gòu)不同時(shí)對環(huán)變形的影響,計(jì)算時(shí)忽略O(shè)形圈以及防轉(zhuǎn)銷和傳動(dòng)銷孔的影響,彈簧力視為均布載荷,忽略重力和離心力的影響。


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    2.2計(jì)算結(jié)果與分析


    規(guī)定壓縮變形為正,拉伸變形為負(fù);動(dòng)環(huán)端面產(chǎn)生順時(shí)針方向變形時(shí)轉(zhuǎn)角為負(fù),產(chǎn)生逆時(shí)針方向變形時(shí)轉(zhuǎn)角為正;靜環(huán)端面轉(zhuǎn)角的正負(fù)規(guī)定與動(dòng)環(huán)相反。圖"顯示了動(dòng)環(huán)和靜環(huán)在P0=0.5MPa時(shí)的變形情況,動(dòng)、靜環(huán)在不同P0下的變形值詳見表1和表2。可以看出,LST-MS端面變形后不再為平行平面,而且微孔的動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生的壓力,使端面形成了內(nèi)凹曲面。由圖3還可以看出,具有同樣的結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)的動(dòng)環(huán),由于靜環(huán)結(jié)構(gòu)和約束的不同,其變形的大小也是不一樣的,而且在不同的外徑壓力下,各結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)環(huán)變形情況也是不一樣的。因?yàn)殪o環(huán)的彈性模量比動(dòng)環(huán)大,所以靜環(huán)的變形值要比動(dòng)環(huán)小。從表1和表2中可以看出,4種結(jié)構(gòu)中,與其它結(jié)構(gòu)相比,結(jié)構(gòu)3的動(dòng)環(huán)軸向變形值較小,但其靜環(huán)變形值卻比其它結(jié)構(gòu)的大得多,原因是結(jié)構(gòu)3中受約束的5-6邊位于內(nèi)徑處,而P0 值高,這樣外徑處環(huán)的兩側(cè)所受壓力不平衡引起較大變形;同時(shí),壓力P0形成的力矩隨著P0的增大而增大,因此結(jié)構(gòu)3的轉(zhuǎn)角也由負(fù)值變?yōu)榱苏。從表中還可以看出,結(jié)構(gòu)2、3和4的靜環(huán)并沒有因?yàn)楸趁媸艿郊s束作用而使變形變小,而且約束的位置不一樣,變形的大小也是不一樣的。從表中還可以看出,隨壓力的增大,變形和轉(zhuǎn)角都在增大。


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圖3 不同結(jié)構(gòu)/約束密封環(huán)的力變形示意圖(動(dòng)環(huán)*1000倍,靜環(huán)*10000倍)


表1 動(dòng)環(huán)端面力變形 


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表2 靜環(huán)端面變形


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    受端面變形的影響,LST-MS的性能參數(shù)也發(fā)生了變化,如表3所示?梢钥闯,考慮端面變形后,泄漏量明顯增大,雖然結(jié)構(gòu)2和4的液膜剛度有所增大,但從剛漏比的角度來考慮,考慮變形時(shí),密封性能都在降低。綜合而言,結(jié)構(gòu)2是4種結(jié)構(gòu)中泄漏量較小但剛漏比最大的,因此,僅僅從考慮壓力變形的角度來看,擁有結(jié)構(gòu)2的LST-MS其綜合密封性能最佳。據(jù)此可知,針對不同的材料配對和結(jié)構(gòu)組合,通過選擇合適的約束對LST-MS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高密封的工作穩(wěn)定性,延長密封使用壽命,不僅必要而且可行。


表3 變形對LST-MS密封性能的影響


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    (1)力變形對LST-MS密封性能具有重要影響,變形導(dǎo)致泄漏量增大、剛漏比降低,從而使密封性變差。
   
    (2)靜環(huán)的密封圈位置和背面的約束位置對動(dòng)、靜環(huán)的變形均產(chǎn)生影響;選擇合適的約束和安放輔助密封圈的位置,可以控制變形力矩,減小密封面轉(zhuǎn)角,增大密封剛漏比值,提高其穩(wěn)定性。
   
    (3)密封變形值大小與其工作性能不存在必然的對應(yīng)關(guān)系。即最小的密封環(huán)變形并不一定對應(yīng)于最優(yōu)密封性能,應(yīng)針對具體操作條件、結(jié)構(gòu)和材料配對進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。


    3 結(jié)論

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