水泥泵活塞缸套系统密封试验及机理研究

发布时间：2017-07-25 17:33

  本文关键词：水泥泵活塞缸套系统密封试验及机理研究

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【摘要】：活塞在水泥泵的易损件中占有很大的比例,活塞密封性能的好坏对其本身的使用寿命有着决定性的影响,进而影响到施工的成本和效率,所以对水泥泵活塞动密封性能的研究有着重大的现实意义和必要性。为了对水泥泵活塞进行深入的研究,本文分析了水泥泵的工作原理,并对活塞在两种状态(静态和动态)下的受力进行了分析,为活塞受力的数值模拟提供理论依据。本文在HBT80.13.110S水泥泵活塞的基础上,通过对比缩放,设计出9种凹坑形柱塞进行动密封替代试验。由试验结果可知,凹坑形结构可以降低柱塞使用时的泄漏量,最大降低了77.3%,最小降低了19.4%。为了对凹坑形柱塞的结构参数进行优化,利用极差分析法分析各试验因素对泄漏量的影响,再利用多元正交多项式回归设计获得回归方程。通过对9种凹坑形柱塞泄漏量的极差分析,确定了试验的主次因素A、B,C,最优组合A2B1C3,即凹坑直径为3.0mm,凹坑中心夹角为10°,凹坑深度为4.0mm。为了验证极差分析得到的最优结果,通过模拟仿真结合验证试验,对不同凹坑因素进行组合研究,发现凹坑直径3.0mm,凹坑中心夹角10°,凹坑深度4.0mm是最优的参数组合。根据柱塞的推力试验可知仅改善界面润滑条件,降低界面摩擦系数,并不一定有更高的动密封性能,维持柱塞动密封性能需一定的径向接触压力。为了对凹坑形柱塞的密封耐磨机理进行研究,本文利用WORKBENCH有限元软件对光滑柱塞和凹坑形柱塞在动密封试验台工况下的运动进行了数值模拟,该模拟主要分析三个部分,分别是接触压力、等效应力、表面流场分布。通过对柱塞唇部接触压力和根部等效应力的对比分析可知,凹坑形柱塞唇部的接触压力较大,根部的等效应力较小,柱塞唇部的接触压力是衡量柱塞动密封性能的关键指标,其值越大,动密封性能越好,根部等效应力是衡量柱塞耐磨性能的指标,其值越小,柱塞的耐磨性能越好。通过分析柱塞表面流场的分布状况,得知凹坑形结构改变了润滑油在柱塞表面的流动状态,当润滑油流经柱塞表面的凹坑时,在坑内出现旋转的现象,流速明显变缓并伴有回流的趋势,柱塞表面润滑油的动态观测试验验证了有限元流场分析的正确性。密封耐磨机理主要总结为3个方面:(1)凹坑形结构改变了柱塞的受力情况;(2)凹坑形结构有降低润滑油流速的作用;(3)凹坑形结构有存储润滑油的作用。最后结合最优的凹坑结构参数,对HBT80.13.110S水泥泵活塞进行改进设计,在其表面上设计出最优参数的凹坑形结构,然后对活塞在实际泵送工况下的受力情况进行有限元数值模拟,对比分析标准活塞和凹坑形活塞的等效应力、接触压力、表面流场分布,最后得出结论:凹坑形水泥泵活塞的动密封性能优于标准活塞。
【关键词】：水泥泵活塞 柱塞 密封 有限元分析 密封试验
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU646
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 选题的目的和意义12-15
• 1.2 水泥泵活塞的研究现状15-17
• 1.2.1 水泥泵活塞结构研究现状15-16
• 1.2.2 活塞形态研究现状16-17
• 1.2.3 水泥泵活塞材料研究现状17
• 1.3 现有水泥泵活塞存在的问题17
• 1.4 本文研究的意义17-18
• 1.5 本文的主要研究内容18-20
• 第2章 水泥泵的工作原理和活塞的受力分析20-26
• 2.1 水泥泵泵送单元的组成20
• 2.2 水泥泵工作原理20-22
• 2.2.1 泵送设备工作原理20-21
• 2.2.2 高低压切换控制21-22
• 2.3 水泥泵活塞受力分析22-26
• 2.3.1 静态受力分析22-23
• 2.3.2 动态受力分析23-26
• 第3章 凹坑形柱塞的设计加工及密封试验26-48
• 3.1 凹坑形柱塞的设计26-28
• 3.2 动密封试验台28-30
• 3.3 动密封试验方法与方案30-32
• 3.3.1 试验方法30-31
• 3.3.2 试验方案31-32
• 3.4 凹坑形柱塞加工32-33
• 3.5 试验数据统计及分析33-44
• 3.5.1 试验数据统计34-35
• 3.5.2 最优、最差凹坑形柱塞和光滑柱塞泄漏量的对比35-37
• 3.5.3 极差分析37-39
• 3.5.4 多元正交多项式回归设计39-44
• 3.6 凹坑形结构对柱塞表面摩擦力的影响44-47
• 3.7 结果讨论47-48
• 第4章 光滑柱塞Workbench有限元分析48-58
• 4.1 有限元分析与Workbench介绍48-49
• 4.1.1 有限元法理论简介48-49
• 4.1.2 Workbench及其优点49
• 4.2 柱塞缸套摩擦副有限元计算49-55
• 4.2.1 建立柱塞缸套摩擦副模型50
• 4.2.2 定义材料属性50-51
• 4.2.3 导入装配图51-52
• 4.2.4 设置边界条件52-53
• 4.2.5 划分模型网格53
• 4.2.6 设定分析载荷步53-55
• 4.3 有限元仿真结果分析55-58
• 4.3.1 等效应力分析55-56
• 4.3.2 接触压力分析56-58
• 第5章 凹坑形柱塞密封性有限元分析及其验证试验58-82
• 5.1 凹坑形柱塞有限元模型建立58-59
• 5.2 凹坑形柱塞有限元模拟分析59-64
• 5.2.1 凹坑形柱塞等效应力分析60-62
• 5.2.2 凹坑形柱塞接触压力分析62-64
• 5.3 凹坑形结构对柱塞表面润滑效果的影响64-70
• 5.4 凹坑深度对柱塞受力的影响70-73
• 5.5 柱塞受力情况分析总结73
• 5.6 柱塞强度校核73-76
• 5.6.1 聚氨酯橡胶的性能73-74
• 5.6.2 第一强度理论（最大拉应力理论）74
• 5.6.3 凹坑形柱塞的强度分析74-76
• 5.7 柱塞最优凹坑直径探究及试验验证76-82
• 5.7.1 柱塞唇部接触应力分析76-77
• 5.7.2 对比试验77-82
• 第6章 凹坑形柱塞密封机理研究82-90
• 6.1 凹坑形柱塞表面润滑油动态观测82-87
• 6.1.1 试验设备82-84
• 6.1.2 试验过程84-85
• 6.1.3 结果观测85-87
• 6.2 凹坑形柱塞动密封机理分析87-90
• 第7章 水泥泵活塞实际工况的数值模拟90-98
• 7.1 HBT80.13.110S水泥泵90
• 7.2 HBT80.13.110S水泥泵活塞的逆向建模90-91
• 7.3 凹坑形水泥泵活塞的设计91-92
• 7.4 标准水泥泵活塞和凹坑形活塞的有限元模拟92-96
• 7.4.1 等效应力对比分析93-94
• 7.4.2 接触压力对比分析94-95
• 7.4.3 活塞表面润滑效果对比分析95-96
• 7.5 本章小结96-98
• 第8章 全文总结与工作展望98-100
• 8.1 全文总结98-99
• 8.2 工作展望99-100
• 参考文献100-106
• 导师及作者简介106-108
• 致谢108

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本文编号：572476