端面油膜密封缝隙变粘度流体流动特性及其应用研究

发布时间：2020-07-05 15:21

【摘要】：端面密封是一种轴向密封,又称机械端面密封,简称机械密封,是流体机械旋转轴密封最为主要的类型,是常用的旋转轴密封,与压盖软填料密封相比,具有泄漏量低,摩擦磨损小,使用寿命长、工作可靠、不需要日常维护等一系列优点,因此在现代工业生产中得到了广泛的应用。动力卡盘属于自动定心卡盘,配以不同的动力装置(气缸、油缸或电机),便可组成气动卡盘、液压卡盘或电动卡盘。气缸或油缸装在机床主轴后端,用穿在主轴孔内的拉杆或拉管,推拉主轴前端卡盘体内的楔形套,由楔形套的轴向进退使3个卡爪同时径向移动。这种卡盘动作迅速,卡爪移动量小,适于在大批量生产中使用。从目前国内对液压动力卡盘的需求看,最高转速超过6000rpm的液压动力卡盘都需要从国外进口。主要原因之一是国内还不具备生产与液压动力卡盘配套的中空旋转油缸的技术。旋转油缸中固定部件和旋转部件之间的密封是限制此技术发展的瓶颈,鉴于其密封处于高界面滑速、高边界压差及高环境温度的工况,普通的接触式端面密封因高的pV值而难于胜任,因而这些部位的密封,应采用非接触型的动密封形式。在西方发达国家动力卡盘占据了很大的市场,手动卡盘虽有一定市场,但需求不断下降,动力卡盘在国外特别在欧洲已被大量采用,主要应用在加工中高精度数控机床,普通机床采用数量也不断增加。我国在上世纪80年代中期,由于受当时生产条件限制,只能生产一种短圆柱型的具有普通转速、精度低的铸铁盘体的低档次产品。由于我国数控技术迅速发展要求将高速楔式动力卡盘和高速回转油缸配套使用在数控机床上。液压回转油缸是液压动力卡盘的动力源。当前,高速液压回转油缸的研究和产品在国内外未见报道,针对这一全新技术,作者进行了大量地理论分析和实验研究。首先,在查阅大量国内外资料的基础上,分析了国内外端面油膜密封、变粘度流体流动特性和液压动力卡盘的研究与应用情况,指出了研究液压回转油缸的重要意义,明确了研究液压回转油缸的主要技术难点,在此基础上,提出了解决液压回转油缸技术难点所需的关键技术,确定了本文的主要研究内容。在考虑粘度函数为常数和不为常数的两种情况下,给出了平面端面油膜密封缝隙流体的压力分布和摩擦转矩的计算公式,从而可以确定端面密封的开启力,并可以计算出功率损失。在不考虑粘度变化和考虑粘度变化两种情况下,对影响平面端面油膜缝隙流体的泄漏特性、粘性摩擦损失进行对比分析后,采用功率损失最小原则对平面端面油膜密封的端面间隙进行了优化,为液压回转油缸的结构设计及研制奠定坚实的理论基础。介绍了深槽端面密封的工作机理,给出了圆弧深槽端面油膜密封的结构形式,在不考虑粘度变化和考虑粘度变化两种情况下,对影响圆弧深槽端面油膜缝隙流体的压力分布进行对比分析后,得到了圆弧深槽端面油膜密封缝隙流体的流体动力特性,为液压回转油缸的结构设计及研制奠定坚实的理论基础。当槽的数量在6个及以上时,转速对泄漏量的影响变得不太明显,而且泄漏量随转速的增加而减小,从而符合了“上游泵送”的理论。在动力粘度η不为常数,槽的数量为6,未开槽区域油膜厚度不变,转速在1000~10000rpm的情况下,当槽深度达到1mm的时候对摩擦转矩的影响不再明显。在不考虑粘度变化和考虑粘度变化两种情况下,对影响圆弧浅槽端面油膜缝隙流体的压力分布进行对比分析后,得到了圆弧浅槽端面油膜密封缝隙流体的流体动力特性,为液压回转油缸的结构设计及研制奠定坚实的理论基础。当槽的数量在6个及以上时,转速对泄漏量的影响变得不太明显,而且泄漏量随转速的增加而减小,从而符合了“上游泵送”的理论。在动力粘度η不为常数,槽的数量为6,未开槽区域油膜厚度不变,转速在1000~10000rpm的情况下,当槽深度达到0.05mm的时候对摩擦转矩的影响不再明显。仿真分析研究是现代各行业运用较多的研究手段,特别是数值仿真技术,它具有节约成本、节省时间等优点而被广泛采用。本文运用ANSYS软件对回转部件进行了模态分析,为液压回转油缸样机的实验奠定了基础;运动ADINA软件分析了平面、圆弧深槽、圆弧浅槽端面油膜密封缝隙流体的流体特性,验证了理论分析的正确性。在端面油膜密封缝隙流体流动特性理论分析的基础上,对液压回转油缸样机进行了加工制造,并对样机进行了实验研究,结果表明:平面端面油膜密封、圆弧深槽端面油膜密封、圆弧浅槽端面油膜密封缝隙流体流动特性的理论分析是正确的,应用这些端面油膜密封技术的液压回转油缸可以满足高速动力卡盘的要求。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH136
【图文】：

示意图,端面密封,示意图

[1]Fig.1-1 Sketch of typical face seal图1-1所示的端面密封是由一对垂直于旋转轴线的端面在流体压力和补偿机构（弹簧）弹力的作用下保持贴合，并配以辅助密封而达到防止流体泄漏的功能。由于端面密封具有密封性能良好，使用寿命长，对轴或轴套几乎无磨损，抗震性强等一系列优点，被广泛用于泵、压缩机、搅拌反应釜等旋转机械上，也常用于齿轮箱、阀门、旋转接头、船舶尾轴、火箭发动机、航空发动机的轴封。在炼油工艺装置中 85%以上机泵使用了端面密封，此外，端面密封在许多高压、高温、相关博士学位论文 2011年第11期工程科技Ⅱ辑 C029-11-10

密封结构,端面密封,上游泵送,非接触式密封

出现了非接触式端面密封，有周向圆弧槽、雷列台阶面和螺旋槽面的流体动压密封；径向锥面、台阶面和带凹槽节流孔的流体静压密封，将端面密封的 pV 提高到了 500MPa m/s。此外，端面密封与螺旋密封的多级组合密封、半接触式变载荷系数端面密封的一些混合组合端面密封与阻塞密封适合于高参数和综合复杂的条件，都纷纷出现并得到广泛使用。从 1981 年起，由于有了新的理论的指导，出现了新型密封，这些密封主要反映新概念、新结构、新方法、新技术、新工艺和新材料。例如，利用某种机构将流体（或者是从上游高压端泄漏出去的流体）从下游低压端泵送到上游，这就是“上游泵送（upstream pumping）”新概念[5]。利用“上游泵送”这一新概念，就可以产生多种非接触式密封的结构，其中有螺旋槽、圆弧槽、直线槽，径向直槽、前后向流槽、雷列台阶面、斜平面、圆叶型槽、径向直叶槽和斜角槽等密封，如图 1-2 所示。“上游泵送”可以使非接触式密封的泄漏量达到零（泄漏量刚好等于反输量）甚至负泄漏（反输量大于泄漏量），从而打破了传统的非接触式密封总是泄漏的观念。

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