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纳秒激光加工机械密封动压槽的槽深计算及实验验证

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中国激光 2023年第12期50卷 261-268页

作者：毛文元刘小磊陈硕宋鹏云许恒杰昆明理工大学化学工程学院云南昆明650500

为了实现高效、低成本的机械密封动压槽激光精密加工,基于槽深与激光能量密度和作用时间之间的关系,构建了一个简单有效的槽深计算模型,研究了激光功率、重复频率、扫描速度、填充间距和标刻次数等工艺参数对槽深的影响规律,并进行了实... 详细信息

为了实现高效、低成本的机械密封动压槽激光精密加工,基于槽深与激光能量密度和作用时间之间的关系,构建了一个简单有效的槽深计算模型,研究了激光功率、重复频率、扫描速度、填充间距和标刻次数等工艺参数对槽深的影响规律,并进行了实验验证。结果表明:在所研究的工艺参数取值范围内,槽深计算结果随变量参数变化的趋势和实验结果呈现良好的一致性,槽深与各个工艺参数之间具有明确的数学关系,即槽深与激光功率、标刻次数成正比,与扫描速度成反比,与填充间距近似成反比,且随重复频率的增大,槽深线性减小。在5组工艺参数计算案例中,槽深的计算结果与实验结果均较为吻合,槽深最大相对误差不超过15.07%。

关键词：激光技术激光加工机械密封动压槽槽深计算工艺参数

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考虑微观表面分层特征密封环接触特性分析

化工学报 2024年

作者：刘孟扬孙雪剑毛文元邓晰文雷基林昆明理工大学化学工程学院昆明理工大学云南省内燃机重点实验室

软硬配对的密封环广泛应用于旋转式动密封领域，然而动静环间的接触摩擦是引起密封失效的主要原因。分析密封环的接触特性对研究密封摩擦损伤现象乃至预测密封稳定运行具有重要意义。传统研究大多基于密封环微观表面微凸体满足高斯分布... 详细信息

软硬配对的密封环广泛应用于旋转式动密封领域，然而动静环间的接触摩擦是引起密封失效的主要原因。分析密封环的接触特性对研究密封摩擦损伤现象乃至预测密封稳定运行具有重要意义。传统研究大多基于密封环微观表面微凸体满足高斯分布的单层特征假设，忽略其存在的分层特征。本文以干气密封为工程背景，通过测量密封环表面形貌二维数据，利用间断分离法获取分层参数，结合双高斯表面仿真理论对密封环三维重构，使用确定性接触模型对密封环接触特性研究，并结合表面仿真分析相关长度、下高斯粗糙度、上高斯占比等对密封接触特性的影响。研究结果表明：经过抛光处理的成品碳石墨密封环分层特征明显。相关长度的增加会减少粗糙峰数量并增加粗糙峰平均曲率半径。上高斯占比的增加导致粗糙峰平均曲率半径略有增加。增加下高斯粗糙度会降低粗糙峰平均曲率半径，增加粗糙峰数量，显著降低接触性能。下高斯粗糙度对表面形貌、接触特性影响最大，而相关长度、上高斯占比对接触特性影响较小。

关键词：动密封表面形貌分层特征微尺度接触

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并联管组内流量均匀分布的数学模型

动力工程学报 2011年第4期31卷 279-284页

作者：别玉胡明辅毛文元常静华昆明理工大学太阳能工程研究所昆明650224

为解决并联管组中流体流量分布不均的问题,提出改变集管内局部阻力配置的方法,建立了基于动量衡算法的流量均布离散化数学模型,利用解析法求解得到阻力配置的通用公式,并根据公式计算所得的加阻位置和阻力系数在太阳能集热器阵列上进行... 详细信息

为解决并联管组中流体流量分布不均的问题,提出改变集管内局部阻力配置的方法,建立了基于动量衡算法的流量均布离散化数学模型,利用解析法求解得到阻力配置的通用公式,并根据公式计算所得的加阻位置和阻力系数在太阳能集热器阵列上进行试验验证.结果表明:即使存在由于简化假设和参数近似拟合而导致的诸多误差,增加恰当的阻力元件仍可使流量分布不均匀度下降一个数量级,最大流量与最小流量之比从约等于7降至1.5以下,流量分布改善效果明显.

关键词：水动力学并联管组太阳能集热器流量均匀分布阻力配置

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干气密封螺旋槽的激光加工工艺研究

工程科学与技术 2018年第5期50卷 253-262页

作者：毛文元宋鹏云邓强国许恒杰孙雪剑昆明理工大学化学工程学院云南昆明650500

干气密封环螺旋槽的加工质量对干气密封性能有非常显著的影响。为了获得较高的螺旋槽加工质量,并能对螺旋槽加工工艺提供有效指导,利用LM-20型光纤激光标刻机对干气密封常用的碳化硅(SiC)陶瓷材料和碳化钨(WC)硬质合金材料进行了螺旋槽... 详细信息

干气密封环螺旋槽的加工质量对干气密封性能有非常显著的影响。为了获得较高的螺旋槽加工质量,并能对螺旋槽加工工艺提供有效指导,利用LM-20型光纤激光标刻机对干气密封常用的碳化硅(SiC)陶瓷材料和碳化钨(WC)硬质合金材料进行了螺旋槽激光加工工艺研究。分别考察了激光功率、扫描速度、填充间距、重复频率、标刻次数等工艺参数对螺旋槽深度h_g和底表面粗糙度R_a的影响;并选用激光功率、扫描速度、重复频率、标刻次数作为4个因素,分别取3个水平对WC的正交试验结果进行了分析。试验结果表明:加工工艺参数对螺旋槽深度h_g和底表面粗糙度R_a均有一定的影响,合理的工艺参数有助于提升螺旋槽的加工质量;SiC和WC材质密封环合理的工艺参数范围分别为:激光功率为8～10 W和12～14 W,扫描速度为600～1 000 mm/s和500～800 mm/s,填充间距均为0.01～0.014 mm,重复频率为50～60 kHz和20～30 kHz,标刻次数为4～6次和2～4次。正交试验结果显示:重复频率对槽深h_g的影响最为显著,其次为标刻次数、扫描速度和激光功率。扫描速度对底表面粗糙度R_a的影响最为显著,其余因素对底表面粗糙度R_a的影响较小。标刻次数与激光功率、激光功率与扫描速度、扫描速度与频率的交互作用均较弱,对槽底表面加工精度的影响不大。

关键词：干气密封螺旋槽激光加工加工工艺

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SiC表面水滴型微织构的水润滑特性研究

层流状态下高压高转速二氧化碳干气密封的惯性效应分析

表面技术 2024年第1期53卷 96-104页

作者：王鹏洋龙威赵章行毛文元乔妍昆明理工大学机电工程学院昆明 650500 昆明理工大学化学工程学院昆明 650500

目的提高水润滑条件下SiC陶瓷的摩擦性能.方法通过对剪切力矩和摩擦因数的测试和计算,结合扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察试件表面的磨痕形貌及元素含量分布,分析转速、载荷和织构排布方式对变深度水滴型织构在SiC表面摩擦因数、磨... 详细信息

目的提高水润滑条件下SiC陶瓷的摩擦性能.方法通过对剪切力矩和摩擦因数的测试和计算,结合扫描电镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察试件表面的磨痕形貌及元素含量分布,分析转速、载荷和织构排布方式对变深度水滴型织构在SiC表面摩擦因数、磨损特征和摩擦化学反应的影响规律.结果在变深度动压弹流润滑和摩擦化学反应的协同作用下,单侧水滴型织构试件在润滑介质从小端流向大端时可以实现更好的润滑性能,并且随着转速从200 r/min升至900 r/min,稳定摩擦因数从0.004增至0.068,远低于相同工况下斜槽型织构和无织构的光滑表面试件.对于水滴型织构,当润滑介质从大端流向小端时,其呈现的摩擦因数与无织构表面光滑试件的摩擦因数相近,维持在0.014～0.114.双侧水滴型织构在重载时具有更优异的润滑减摩效果,在200～900 r/min的转速范围内,能够提供稳定且较小的摩擦因数.结论在SiC材料表面设计具有变深度特征的水滴型织构,可以有效提高系统的润滑减摩效果,特别是当润滑介质从织构较浅处流向较深处时,可以促进SiC试件表面的摩擦化学反应,生成的氧化物薄膜会覆盖在试件表面形成保护层,使SiC陶瓷的摩擦学行为得到改善.

关键词：碳化硅水滴型织构摩擦因数摩擦化学反应动压弹流润滑

来源：博看期刊评论

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化工学报 2018年第10期69卷 4311-4323页

作者：许恒杰宋鹏云毛文元邓强国孙雪剑昆明理工大学环境科学与工程学院云南昆明650500 昆明理工大学化学工程学院云南昆明650500

借鉴考虑惯性效应的气体止推轴承理论,以维里三项截断式描述二氧化碳的实际气体行为,同时考虑阻塞流效应和密封端面间气膜的黏度变化,采用有限差分法分别分析了层流状态下惯性效应对泵入式、泵出式螺旋槽干气密封稳态性能的影响规律,并... 详细信息

借鉴考虑惯性效应的气体止推轴承理论,以维里三项截断式描述二氧化碳的实际气体行为,同时考虑阻塞流效应和密封端面间气膜的黏度变化,采用有限差分法分别分析了层流状态下惯性效应对泵入式、泵出式螺旋槽干气密封稳态性能的影响规律,并与理想气体无惯性假设模型的计算结果进行了对比。结果表明:与理想气体相比,惯性效应对二氧化碳实际气体干气密封性能的影响程度更高。惯性效应使泵入式螺旋槽干气密封泄漏率和开启力均减小,而对泵出式螺旋槽干气密封的影响程度恰好相反。以泵入式螺旋槽干气密封为例,惯性效应对二氧化碳干气密封性能(泄漏率、开启力)的影响分别随密封压力和转速的增大而增强,随气膜厚度的增大而减小,密封压力为10 MPa,气膜厚度为3μm,转速为20000 r·min-1时,惯性效应使泄漏率降低62.21%,开启力降低35.03%,使二氧化碳泵入式螺旋槽干气密封发生阻塞流动的临界进口压力提高。此外,二氧化碳的温度越接近其临界温度,惯性效应表现得越明显。

关键词：螺旋槽干气密封惯性效应实际气体二氧化碳数值分析层流

机械密封动压槽激光加工工艺参数反演及槽深加工精度控制研究

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中国激光 2024年第16期51卷 305-315页

作者：陈硕刘小磊邓强国孙雪剑许恒杰毛文元昆明理工大学化学工程学院云南昆明650500

为了进一步提高机械密封动压槽槽深的加工精度,利用槽深计算模型,编写了动压槽激光加工工艺参数反演程序,同时还基于槽深误差和槽深相对误差的定义,构建了多次反演槽深加工误差的模型,开展了工艺参数单次反演及槽深加工精度多次反演的... 详细信息

为了进一步提高机械密封动压槽槽深的加工精度,利用槽深计算模型,编写了动压槽激光加工工艺参数反演程序,同时还基于槽深误差和槽深相对误差的定义,构建了多次反演槽深加工误差的模型,开展了工艺参数单次反演及槽深加工精度多次反演的控制研究,并进行了实验验证。结果表明:在单次反演研究中,利用反演程序获得的16组工艺参数反演结果与实验结果均较为吻合,槽深的最大相对误差不超过17.00%;在多次反演研究中,分别以第1次反演实验槽深小于目标槽深(槽深相对误差为17.00%)和大于目标槽深(槽深相对误差为5.55%)为案例,通过不同的反演方法进行两次反演,最终将槽深相对误差均控制在5.00%以内,满足了设计控制目标要求,实现了对机械密封动压槽槽深的精确控制。

关键词：激光技术机械密封动压槽工艺参数反演

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干气密封螺旋槽激光加工工艺的ACE法优化

工程科学与技术 2021年第2期53卷 195-202页

作者：毛文元宋鹏云邓强国许恒杰孙雪剑昆明理工大学机电工程学院云南昆明650500 昆明理工大学化学工程学院云南昆明650500

干气密封螺旋槽槽深和槽底表面的加工精度将对密封性能产生重大的影响,但精准控制槽深和槽底表面的加工精度仍有挑战。以槽深h_(g)=10μm、槽底表面粗糙度Ra≤0.8μm为设计控制目标,开展了干气密封螺旋槽激光加工工艺的优化研究。选取... 详细信息

干气密封螺旋槽槽深和槽底表面的加工精度将对密封性能产生重大的影响,但精准控制槽深和槽底表面的加工精度仍有挑战。以槽深h_(g)=10μm、槽底表面粗糙度Ra≤0.8μm为设计控制目标,开展了干气密封螺旋槽激光加工工艺的优化研究。选取标刻次数、激光功率、填充间距、扫描速度4个对槽深h_(g)和槽底表面粗糙度Ra有显著影响的因素作为设计变量,每个因素均取12个水平,通过均匀试验分别得到12组工艺参数下的螺旋槽深度h_(g)和槽底表面粗糙度Ra;然后,利用ACE非参数回归建立工艺参数与槽深h_(g)、槽底表面粗糙度Ra的映射关系,并采用蒙特卡洛法随机生成大量的工艺参数样本,再通过插值算法和样本筛选得到了3组满足设计控制目标下的工艺参数及其预测结果,并根据实际情况对3组工艺参数微调后进行试验,获得3组实际工艺参数下的槽深h_(g)和槽底表面粗糙度Ra。试验结果表明:3组实际工艺参数下的槽深h_(g)和槽底表面粗糙度Ra均满足设计控制目标,且预测值和试验值吻合。最后,以加工效率和槽底加工质量为优化目标,优选出满足设计控制目标下的螺旋槽激光工艺参数。

关键词：干气密封螺旋槽激光加工优化

实际气体效应对螺旋槽干气密封性能影响的数值分析

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排灌机械工程学报 2015年第10期33卷 874-881页

作者：宋鹏云产文毛文元焦凤昆明理工大学化学工程学院云南昆明650500

在干气密封的研究和设计过程中,一般将密封气体按理想气体处理.但在高压情况下,某些气体的实际效应明显偏离理想气体.以工业上常见的空气、CO2、H2和N2为例,针对广泛使用的螺旋槽干气密封,利用CFD商业软件的三维数值模拟功能,考虑实际... 详细信息

在干气密封的研究和设计过程中,一般将密封气体按理想气体处理.但在高压情况下,某些气体的实际效应明显偏离理想气体.以工业上常见的空气、CO2、H2和N2为例,针对广泛使用的螺旋槽干气密封,利用CFD商业软件的三维数值模拟功能,考虑实际气体效应,并同时考虑了气体流经密封环端面时温度发生变化的情况,得到了实际气体效应对干气密封开启力和泄漏率等密封性能的影响规律.结果表明:在压力不超过4.6 MPa研究范围内,空气、N2实际气体与理想气体的密封性能基本相同,而CO2实际气体的开启力和泄漏率大于理想气体结果,H2实际气体开启力和泄漏率则略微小于理想气体结果.实际气体效应对干气密封的泄漏率影响较大,对开启力的影响不大.

关键词：干气密封实际气体螺旋槽泄漏率数值模拟