孟祥凱 張安京 馬志斌

摘要：端面造型的機(jī)械嚴(yán)密封閉的性質(zhì)研究，主要是通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，模擬研究過(guò)程中的一系列問(wèn)題，并得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)普通機(jī)械密封，微孔端面機(jī)械密封，孔槽耦合端面機(jī)械密封三種密封方式進(jìn)行相應(yīng)的模擬運(yùn)行測(cè)試。結(jié)果表明，孔槽耦合端面機(jī)械密封的效果更好。與普通機(jī)械密封相比較，微孔端面的機(jī)械密封雖然能減輕密封件之間的摩擦和磨損，但這種密封方法防泄漏效果并不好，而孔槽耦合端面的機(jī)械密封則具有了更小的剪切力，而且能更好的抵抗流體間的壓力，密封的潤(rùn)滑性能更好，是最好的機(jī)械的密封方式。

關(guān)鍵詞：機(jī)械嚴(yán)密封閉；動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)；端面；內(nèi)流場(chǎng)；數(shù)值的模擬

目前大多實(shí)驗(yàn)都是事先把參考數(shù)據(jù)設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，例如：忽略體積的力作用、重力和磁力；流體為不可壓縮的流體，密度不隨壓力變化而變化；液膜狀態(tài)，流體黏度設(shè)為常數(shù)；忽略工作過(guò)程中系統(tǒng)的擾動(dòng)和振動(dòng)對(duì)液膜的影響；間隙間，流體視為連續(xù)的介質(zhì)，端面間為完整的流體膜等，這并不能反映真實(shí)情況，通過(guò)大量不同液膜厚度的模擬計(jì)算得到膜厚隨工況的變化關(guān)系，然后由計(jì)算的工況獲得膜厚而進(jìn)行流場(chǎng)的相關(guān)計(jì)算，這種方法因膜厚涉及的因素太多而使計(jì)算工作量增大，并且易導(dǎo)致誤差出現(xiàn)。為此，文中將在機(jī)械密封的內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算中使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，在密封運(yùn)行的實(shí)際情況中獲得真實(shí)膜厚，從而模擬內(nèi)流場(chǎng)的變化，為機(jī)械嚴(yán)密封閉的內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值研究提供更加可靠高效的方法，并應(yīng)用相應(yīng)的軟件對(duì)不同端面造型的機(jī)械嚴(yán)密封閉的性質(zhì)進(jìn)行研究。

1.機(jī)械密封、動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的簡(jiǎn)介及運(yùn)用

機(jī)械密封又稱為端面密封，是旋轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)密封。機(jī)械密封的性能可靠，泄露量小，使用壽命長(zhǎng)，功耗低，不須要經(jīng)常維修，并能適應(yīng)于生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化和高溫、低溫、高壓、真空、高速以及各種強(qiáng)腐蝕性的介質(zhì)、含固體顆粒的介質(zhì)等苛刻情況下的密封要求。機(jī)械密封是靠一對(duì)或幾對(duì)垂直于軸作相對(duì)滑動(dòng)的端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力（或磁力）的作用下保持結(jié)合并配合以輔助密封以達(dá)到阻漏目的的裝置。與軟填料密封相比，機(jī)械密封密封可靠，在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)中密封狀態(tài)穩(wěn)定，泄露量很小，其泄露約為軟填料密封的1%；使用壽命長(zhǎng)，在油、水介質(zhì)中一般可達(dá)1—2年或更長(zhǎng)，在化工介質(zhì)中一般能工作半年以上；功率消耗小，其摩擦功率僅為軟填料密封的10%～50%；軸或軸套基本上不磨損；維修周期長(zhǎng)，端面磨損后可以自動(dòng)補(bǔ)償，一般情況下不需經(jīng)常維修；抗振性好，對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)及軸對(duì)密封腔的偏斜要求不敏感；適用范圍廣，機(jī)械密封能用于高溫、低溫、高壓、真空、不同旋轉(zhuǎn)頻率及各種腐蝕介質(zhì)和含磨粒介質(zhì)的密封等優(yōu)點(diǎn)。

動(dòng)網(wǎng)格可以用來(lái)模擬流場(chǎng)的形狀隨著時(shí)間變化的情況，流場(chǎng)邊界的運(yùn)動(dòng)形式可以是預(yù)先定義的運(yùn)動(dòng)，即在計(jì)算前已經(jīng)知到邊界運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，預(yù)先指定它的速度和角速度；也可以是未定義的運(yùn)動(dòng)，即邊界的運(yùn)動(dòng)規(guī)律無(wú)法預(yù)知，必須由前一步計(jì)算結(jié)果決定，網(wǎng)格的更新過(guò)程由軟件根據(jù)每個(gè)過(guò)程中邊界的變化情況而自動(dòng)完成，由于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)能夠更為真實(shí)的模擬流場(chǎng)的變化，從而廣泛的被應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼的外流場(chǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)流場(chǎng)等的數(shù)值的模擬中，但未見(jiàn)的在機(jī)械的密封中得到應(yīng)用。在機(jī)械密封的內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬中可使用邊界運(yùn)動(dòng)的形式預(yù)先對(duì)未定義的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的用戶自行編寫程序，定義邊界的運(yùn)動(dòng)與內(nèi)流場(chǎng)中的參數(shù)關(guān)系，并將程序連接到軟件的求解器上，從而實(shí)現(xiàn)在變化中的求解過(guò)程，在變化中改變網(wǎng)格的形狀和邊界運(yùn)動(dòng)的特性等的功能，使得模型能夠更加貼近實(shí)際，從而更加的具有實(shí)用性。

2.模擬的過(guò)程以及對(duì)模擬結(jié)果的分析

在機(jī)械的密封件的運(yùn)行過(guò)程中，彈簧的預(yù)緊裝置和介質(zhì)壓力提供了閉合力，密封間隙的液膜壓力提供了開(kāi)啟力。開(kāi)啟力大于閉合力時(shí)，彈簧被壓縮，閉合力逐漸增加，與此同時(shí)液膜的厚度增大，開(kāi)啟力卻減小，反之則反。由此可知，開(kāi)啟力和閉合力的差決定了液膜的厚度變化，進(jìn)而引起內(nèi)流場(chǎng)的變化，反過(guò)來(lái)改變了開(kāi)啟力的大小以及與閉合力之間的差值，這種動(dòng)態(tài)的變化將會(huì)一直持續(xù)到開(kāi)啟力與閉合力的大小相等，即達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡，形成穩(wěn)定的膜厚、內(nèi)流場(chǎng)。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的微孔端面的機(jī)械密封能夠得到較好的潤(rùn)滑，微孔之間產(chǎn)生的動(dòng)壓效應(yīng)，能使開(kāi)啟力、密封間隙以及液膜的厚度增大，從而導(dǎo)致了泄漏量的變大，而當(dāng)微孔和螺旋槽都具備了一定的動(dòng)壓時(shí)，也能獲得較大的開(kāi)啟力，但是由于螺旋槽具有良好的回吸泵送的能力，一方面它可以抵消由于內(nèi)外的徑壓差而引起的強(qiáng)壓差流，另一方面內(nèi)徑產(chǎn)生的負(fù)壓可以很好的回吸已泄漏液體，從而大大的降低泄漏量。黏性的流體在楔形的空間內(nèi)流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)動(dòng)壓效應(yīng)，通過(guò)靜壓的分布可以觀察出動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生的情況以及不同端面造型產(chǎn)生的不同動(dòng)壓效應(yīng)能力。動(dòng)密封是機(jī)械密封裝置中的主要密封，也是決定著機(jī)械密封性能和壽命的關(guān)鍵。因此，對(duì)密封端面的加工有很高的要求，同時(shí)為了使密封端面之間保持潤(rùn)滑液膜，必須嚴(yán)格控制端面上單位面積上的壓力，壓力過(guò)大，就不易形成穩(wěn)定的潤(rùn)滑液膜，加速端面的磨損；壓力過(guò)小，會(huì)使泄漏的量增加。所以，要想獲得良好的密封性又有足夠的壽命，在設(shè)計(jì)和安裝機(jī)械密封時(shí)，一定要保證端面單位面積的壓力值保持在最適當(dāng)?shù)姆秶?/p>

通過(guò)幾何模型和數(shù)學(xué)模型對(duì)一系列數(shù)值進(jìn)行比較和驗(yàn)證，能夠知道端面微孔能夠產(chǎn)生很好的動(dòng)壓效應(yīng)并且可以容納一部分磨屑，這能夠改善端面潤(rùn)滑狀況，微孔端面的機(jī)械密封可以有效降低密封端面之間的摩擦。應(yīng)該用機(jī)械強(qiáng)度更高，更能耐壓和變形，具有耐干磨性，耐高載荷性，自潤(rùn)滑性好，配對(duì)材料的磨合性好，無(wú)過(guò)大的磨損和對(duì)偶腐蝕，耐磨性好，壽命長(zhǎng)，導(dǎo)熱性和散熱性好；耐高溫性好；抗熱裂性好，耐腐蝕性強(qiáng)；線膨脹系數(shù)小，切削加工性好，成型性能好，氣密性好，密度小，能耐熱變形和尺寸穩(wěn)定性更好的材料。面泵送槽可以將密封的高壓側(cè)漏到低壓側(cè)的液體泵回到高壓側(cè)，減小甚至實(shí)現(xiàn)零泄漏，由于壩區(qū)和槽區(qū)的存在，在停車和旋轉(zhuǎn)時(shí)都具有防泄漏功能，因此，在密封環(huán)的端面進(jìn)行微孔加工、構(gòu)造螺旋泵送槽等可以改善密封結(jié)構(gòu)的性能。

3.總結(jié)

動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)在機(jī)械密封性能的內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬中應(yīng)用是可行的，通過(guò)對(duì)不同情況下的模擬值和試驗(yàn)值的對(duì)比和論證，且與現(xiàn)有模擬方法相比，我們可發(fā)現(xiàn)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)能夠有效解決密封運(yùn)轉(zhuǎn)中的一系列問(wèn)題，可以獲得更加接近于真實(shí)情況的模擬結(jié)果。而且，通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的模擬和分析可知，與普通機(jī)械密封相比，微孔端面的機(jī)械密封方法能夠產(chǎn)生更大的動(dòng)壓效應(yīng)，增大液膜的開(kāi)啟力，能夠更好的改善端面間摩擦的磨損情況，但是，這種密封方法防泄漏的能力并不強(qiáng)，在其他條件相當(dāng)?shù)那闆r下，泄漏量大遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通的機(jī)械密封。孔槽耦合端面的機(jī)械密封也能夠產(chǎn)生一定的動(dòng)壓效應(yīng)，液膜的開(kāi)啟力比普通的機(jī)械密封更大，壁面的剪切力更小，且能夠更有效的解決微孔端面機(jī)械密封泄漏量較大的問(wèn)題，在相等的條件下，泄漏量比微孔端面的機(jī)械密封和普通的機(jī)械密封都要小，只要設(shè)計(jì)合理，就可通過(guò)孔槽耦合端面使機(jī)械的密封達(dá)到零泄漏，非接觸高性能的要求。

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