详情

原文传递高速高压泵机械密封性能分析及振动特性研究

论文题名：	高速高压泵机械密封性能分析及振动特性研究
关键词：	船用高速高压泵;密封性能;振动特性;热-固耦合;泄漏量;磨损率
摘要：	高速高压泵机械密封是船用泵的重要组成部分，其稳定运行关系着船舶的安全行驶。海水及淡水中的颗粒杂质、振动冲击严重影响着高速高压泵机械密封的性能。本文采用数值模拟和试验研究的方法针对高速高压的密封性能及振动特性展开深入的研究，以期提升密封的性能和抗振能力。　　考虑摩擦热对密封性能的影响，确定热-固耦合有限元计算边界条件,建立高速高压泵机械密封热-固耦合的温度及变形场分析模型。计算得到了高速高压泵机械密封温度及变形分布，高转速产生的大量摩擦热导致其变形由径向分布变为轴向分布，且热应力引起的变形远超机械应力。基于分形理论，采用分形参数表征密封端面表面形貌，推导了高速高压泵机械密封泄漏量及摩擦率计算公式。探究不同分形参数下密封端面的泄漏量及磨损率变化规律，结果表明高速高压泵机械密封端面分形维数在1.5～1.6范围内，特征尺度系数在1×10-8～1×10-7范围内可在海水及淡水环境中保持较低的磨损率及泄漏量，为密封环实际加工制造提供指导。　　定义了高速高压泵机械密封性能评价参数，对比分析了不同操作参数、结构参数、材料参数下密封性能变化规律。结果表明转速及热膨胀系数对密封性能影响最明显，高转速及大热膨胀系数会导致端面产生的较大的热变形而失效;当密封结构参数保持:端面宽度4～4.5mm、动环宽度15～15mm、静环凸起厚度(比值)0.12～0.14范围内，高速高压泵机械密封运行性能较优。基于响应面法对密封结构参数进行多目标优化，得到了最优的密封结构参数组合。　　针对高速高压泵机械密封运转时的振动工况，建立了高速高压泵机械密封振动分析模型，采用MALTAB软件进行求解，分析了高速高压泵机械密封振动的振动特性，结果表明振动对端面接触力及液膜压力影响明显,过大的振动会导致密封端面液膜分布不均甚至处于干摩擦状态加速密封失效。对比分析了不同弹簧刚度及静环质量下密封的振动特性及密封性能,得到了较优的抗振参数取值范围，且弹簧刚度对密封振动影响最大。在满足密封泄漏量要求前提下减小弹簧刚度及静环质量可提升高速高压泵机械密封的抗振能力。　　针对不同密封环材料配在海水及淡水环境中的应用，开展了高速高压泵机械密封环材料配对摩擦磨损试验，试验探究了三种不同动环材料(碳化硅、硬质合金、硬质合金喷涂)与碳化硅静环配对在海水及淡水环境中的端面形貌、摩擦系数、磨损率变化，得到了不同密封环材料配对的磨损机理。结果表明碳化硅动环因其稳定的化学性质及耐磨性表现出更出色的摩擦特性，而动环为硬质合金和硬质合金喷涂材料的组合易在海水及淡水环境中由于高温而出现端面氧化加剧磨损。自主研发并搭建了高速高压泵机械密封性能试验台，开展了变压力及变转速密封性能试验，验证了高速高压泵机械密封性能分析模型的准确性和可靠性。　　本文通过对高速高压泵机械密封的性能分析及振动特性研究，得到了高速高压泵机械密封端面温升及变形规律，探究了密封环材料配对摩擦磨损机理，揭示了密封的振动特性。为高速高压泵机械密封的结构优化设计、密封环材料选择、密封性能及抗振能力的提升提供基础。
作者：	魏文豪
专业：	机械
导师：	李双喜;贾祥际
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京化工大学
学位年度：	2023