泵用机械密封热-固耦合及动力学特性研究

作     者：邹昕桓 

作者单位：吉林化工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：陈庆

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：接触式机械密封 结构动力学 热-固耦合 泄漏 磨损 

摘      要：机械密封是一种依靠弹性元件对动、静环端面密封副的预紧力及介质压力的双重作用下从而达到轴向密封的装置,又称为端面密封。按端面比压大小可以分为接触式机械密封和非接触式机械密封。机械密封早期的端面材料单一,磨损量和使用寿命较短,随着材料科学的不断发展和新技术的诞生,新型陶瓷、合金及镀膜材料在机械密封上的应用使得其具有磨损小、寿命长、耗能低、泄漏量少、工作状态稳定及适应性强等优点,被广泛应用在航空航天,石油化工,船舶,汽车等领域。资料显示机械密封在国内外的石油化工行业的应用率高达80%以上。目前的研究中,普遍将机械密封从整个轴向密封系统中剥离,对其进行稳态分析,没有考虑到机械密封的动力学特性,以及设备振动对密封特性的影响,使机械密封的理论使用寿命高于实际使用寿命,理论泄漏量小于实际泄漏量。本课题通过Ansys Workbench仿真模拟平台对接触式机械密封的摩擦副在不同材料、转速的情况下进行力学性能分析;通过分形理论计算其泄漏量和磨损率;在考虑设备振动的情况下,对机械密封的摩擦副以及机械密封整体结构进行结构动力学分析,更准确的分析接触式机械密封的摩擦机理。(1)运用Ansys Workbench对接触式机械密封的摩擦副进行热-固耦合分析。当转速过快时,摩擦副的接触面的局部热应力会直线上升,在不清楚工作状态的情况下随意选择摩擦副的材料会使摩擦副材料损坏,造成泄漏。(2)通过分形理论可知,接触式机械密封在其分形维数的范围内泄漏量及磨损量极低,但与实际测量值存在较大误差。(3)通过Ansys Workbench动力学分析模块计算时发现,在摩擦副的共振频率下,接触式机械密封单位时间的实际转动位移要高于理论值,接触端面的微凸体会加剧摩擦副之间的磨损。(4)结合转子动力学理论及机械密封的动力学特性,将机械密封与电机主轴看作一种单盘轴承转子系统,分析系统的不平衡响应。该系统在临界转速下会出现极大轴向位移,导致机械密封失效,是一种新的机械密封失效形式。综上所述,为提高接触式机械密封的使用寿命、降低磨损率、降低泄漏率提供理论支撑,对机械密封的工程实践起到了指导作用。