车用微槽型旋转密封环润滑状态预测与动态特性研究

发布时间：2019-11-22 21:06

【摘要】：为满足车辆传动系统高pv值(压力?线速度)的需求,表面微槽型旋转密封由于其良好的动压效应得到了一定程度的应用。但车辆传动系统工况复杂,工作条件恶劣。针对车用实际工况,表面微槽型旋转密封的理论工作还极其有限。本文通过理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法,对表面微槽型旋转密封稳态与动态润滑特性进行了系统的研究。针对传统液膜密封领域的限制与不足,构建了旋转密封润滑状态预测模型。在考虑空化效应的基础上,建立了旋转密封动态特性参数模型。以稳态与动态特性参数为目标,对旋转密封槽型结构进行了优化设计。最后,建立表面微槽型旋转密封动力学模型,对比分析优化槽与传统螺旋槽的动力学特性,并探讨蠕动现象产生的机理。采用贴体坐标变换处理表面微槽槽区边界,应用基于质量守恒定律的有限体积法处理微槽边界膜厚突变的问题,获得微槽型流体润滑模型;采用统计接触模型描述混合润滑状态时粗糙峰接触特性;基于旋转密封稳态受力平衡关系,将流体润滑与粗糙峰接触模型相耦合,建立了微槽型旋转密封润滑状态预测模型。提出了“脱开转速”的概念,作为划分混合润滑状与全油膜流体动力润滑状态的临界转速。拟合得到了脱开转速关于工况压力的经验公式,可方便判断实际工况下旋转密封润滑状态。针对直线槽与螺旋槽旋转密封脱开特性进行了参数化分析,给出了槽型结构参数优选范围。针对传统Reynolds空化边界条件不能准确预测表面微槽型旋转密封流体润滑特性的问题,建立基于质量守恒空化边界条件的旋转密封空化数学模型,搭建了旋转密封空化现象观测试验台。采用摄动法建立了基于质量守恒空化边界条件的旋转密封动态特性参数分析模型,搭建了动态刚度测试试验系统,对比分析Reynolds空化边界条件和质量守恒空化边界条件下动态特性参数变化规律。研究表明,动态刚度主要受流体动压效应和空化效应的影响;动态阻尼不直接受流体动压和流体静压效应的影响,主要受空化效应的影响。为了使车用旋转密封获得更好的稳态与动态特性,基于微槽型旋转密封流体润滑数值模型,以槽型参数为设计变量,建立了槽型优化设计模型。研究表明,优化槽型的流体承载力与动态刚度大大优于初始螺旋槽的。优化槽型具有更优流体润滑特性的原因是其几何形式能更有效地利用流体动压效应;槽数对优化槽型的几何形式有较大影响,但外径尺寸影响不大。通过回归分析,得到了优化槽旋转密封润滑特性参数的回归方程。针对稳态模型无法预测旋转密封在瞬态冲击等动态工况下的动力学特性,建立了旋转密封动力学模型。对实际充油工况、压力冲击工况与转速冲击工况旋转密封动态特性进行研究。然后将动力学模型推广到二自由度情形,分析旋转密封的蠕动特性。研究表明,微槽型旋转密封有稳定快速的瞬态响应,在实际充油工况下能很好地跟随工作压力的变化,在极端工况下有良好的抗冲击能力。旋转轴轴向振动是密封环蠕动产生的原因,优化槽的动态特性及蠕动特性大大优于传统螺旋槽。
【图文】：

边界曲线,有限体积法,膜厚,处理方法

北京理工大学博士学位论文此方法在 Miller 和 Green[32]、Liu 等[27]的论文里得到了应用。利用 Kogure 分块加权技术，根据控制体被分割的两部分所占比均。采用分块加权技术，解决了采用有限差分法和有限体积法重合的问题，获得了可靠的求解结果。然而，如果槽台边界是台边界在各个控制体积的加权系数将十分麻烦，计算过程繁琐界难以统一。Liu 等[27]采用贴体坐标变换的方法对螺旋槽止推分析。经过坐标变换，槽台边界的螺旋线转变为计算域的直线算液膜压力分布。他们的算法解决了螺旋线边界求解加权系数旋线的方程来推导坐标变换后的 Reynolds 方程，该方法无法推表达式的槽台边界曲线的情形。

动态特性参数,空化效应,微槽,研究思路

Ruan[98]发展了一种考虑密封环一个轴向和两个角度方向的运动及粗糙峰接触的机械密封动态分析模型。在启动和停机工况下，采用一种全局时间积分法分析螺旋槽气体端面密封的动态特性。综上，在机械密封领域动力学模型研究比较成熟，考虑的因素也比较多。但是旋转密封由于其特殊的结构形式，，在外圆面有摩擦力的存在。在动态求解过程中，由于摩擦力为被动力，其与运动状态有很复杂的耦合关系，给动力学求解带来很大的难题。目前为止，还没有一个能分析旋转密封动态工况下润滑特性的模型。因此，建立一个同时考虑表面微槽流体动压效应、油膜挤压效应、空化效应和粗糙峰接触特性的旋转密封动力学模型是很有必要的。1.3 研究思路与主要研究内容本文研究的最终目标是探索适合车用工况的旋转密封槽型结构，并建立动力学模型分析其实际工况下的动态特性，本文整体研究思路如图 1.4 所示。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH136

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