王小麗 尚雪梅 劉 希 白利鋒 趙偉剛 賈 謙

(1.西安交通大學城市學院機械工程系 陜西西安 710018；2.機器人與智能制造陜西省高校工程研究中心 陜西西安 710018；3.廣州海關(guān)技術(shù)中心 廣東廣州 510623；4.西北有色金屬研究院 陜西西安 710016； 5.中國航天科技集團西安航天動力研究所 陜西西安 710100)

渦輪泵是液體火箭發(fā)動機中的心臟，能保證低溫液體燃料和氧化劑按要求的壓力、流量進行有序輸送[1-2]。機械密封是渦輪泵的重要功能部件，具有工作可靠、壽命長久等特點[3-4]。機械密封靜環(huán)和動環(huán)之間的流體潤滑膜，抵御了系統(tǒng)的軸向力和軸向振動，大大減少了碰磨的發(fā)生[5]。張國淵等[6]分析了高速渦輪泵動、靜結(jié)合型機械密封所處的高速、低黏度介質(zhì)潤滑等極端工況，完成了機械密封關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。GLIENICKE等[7]對高壓、高速下的多種端面槽形進行了數(shù)值模擬和實驗研究，結(jié)果表明高壓、高速下，密封端面形成穩(wěn)定的全膜潤滑是可行的。LEBECK[8]考慮機械密封端面的波度、錐度和粗糙度，建立了機械密封泄漏模型。彭旭東等[9-10]研究了氣液兩相流對機械密封性能的影響，提出端面液膜汽化主要與操作工況、幾何尺寸和表面形貌或表面織構(gòu)有關(guān)。以上研究都是為了保持動環(huán)和靜環(huán)之間密封間隙，利用穩(wěn)定的流體膜來防止磨損的發(fā)生。

在本科教學中，生理學的教學目的是研究正常人體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)及功能,幾乎很少涉及預(yù)防和保健知識的內(nèi)容,理論教學始終存在與實踐脫節(jié)的弊端.但在九年義務(wù)教育教學內(nèi)容體系中，小學、中學的有些課程中已涉及人體知識的內(nèi)容，而小學、中學人體生理學教師是由高等師范院校生命科學系人進行培養(yǎng)的.通過近幾年來，我院舉辦的北京中學生物教師培訓(xùn)的課程來看，大多數(shù)中學老師對機體的解剖結(jié)構(gòu)及生理功能基本停留在理論知識層面，而實體解剖認知、手術(shù)器械規(guī)范化操作以及功能性生理實驗等方面存在很多的問題.表1是當前北京市中學與人體解剖生理學實驗有關(guān)的生物實驗內(nèi)容.

朱經(jīng)武教授發(fā)現(xiàn)了臨界超導(dǎo)溫度在90 K以上的高溫超導(dǎo)材料，使得超導(dǎo)材料又一次成為材料與物理研究的熱點[11]。太空中極低的溫度相較于地面對于超導(dǎo)體的使用有著獨特的優(yōu)勢，在空間通信中高溫超導(dǎo)體材料可用于微波移相器、濾波器和超導(dǎo)天線的零件制作[12]。在艦船方向，超導(dǎo)材料可用于制作潛艇大功率推進器，這種新型的推進器擁有更小的體積和更節(jié)能、更靜音的特點[13]。馬斯克研究的“超環(huán)高鐵”利用低真空管道和磁懸浮技術(shù)，設(shè)想的高鐵速度接近1000 km/h[14]。高溫超導(dǎo)磁懸浮軸承也因其無源自穩(wěn)定性、無機械接觸摩擦、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點，展現(xiàn)出了巨大的工業(yè)應(yīng)用前景[15]。超導(dǎo)軸承與流體軸承復(fù)合可以取長補短，既滿足啟停階段的工況又具有穩(wěn)定的承載性能[16-17]。本文作者設(shè)計了靜環(huán)上嵌有含超導(dǎo)塊材的機械密封結(jié)構(gòu)(簡稱超導(dǎo)機械密封)，并對該新型機械密封結(jié)構(gòu)的性能進行了仿真分析。

1 超導(dǎo)機械密封結(jié)構(gòu)及超導(dǎo)磁力特性分析

1.1 超導(dǎo)機械密封結(jié)構(gòu)

液體火箭通過泵將氧化劑和燃料分別泵入燃燒室，2種推進劑成分在燃燒室混合并燃燒。圖1所示為渦輪泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的組成，可以看出沿軸向分布有誘導(dǎo)輪、離心輪、平衡盤組件、軸承、機械密封和驅(qū)動渦輪等，機械密封是其中磨損最為嚴重、也最容易出現(xiàn)故障的渦輪泵組成部件。

圖1 火箭發(fā)動機渦輪泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

含超導(dǎo)塊的機械密封結(jié)構(gòu)如圖2所示，是在原有機械密封的靜環(huán)上添加多個高溫超導(dǎo)塊和永磁體而獲得。超導(dǎo)塊為圓形，多個并聯(lián)的超導(dǎo)塊在永磁體作用下可產(chǎn)生較大的磁力。超導(dǎo)塊為釔鋇銅氧(YBCO)材料，YBCO是陶瓷超導(dǎo)體，具有抗磁性和磁通釘扎性的特點，可增加系統(tǒng)的無源自穩(wěn)定性。

圖2 含超導(dǎo)塊的機械密封結(jié)構(gòu)

超導(dǎo)機械密封基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，動環(huán)的材料為永磁體，靜環(huán)上的超導(dǎo)塊的數(shù)量選擇為16個，這是考慮到了超導(dǎo)瓦塊-永磁體系統(tǒng)存在一個最優(yōu)的數(shù)目。當超導(dǎo)瓦塊數(shù)在16以內(nèi)時，先利用一個圓柱超導(dǎo)體的B-H本構(gòu)關(guān)系求出單塊超導(dǎo)體在NaFeB永磁體作用下的磁力，再將單塊的磁力乘以超導(dǎo)塊數(shù)可得到整體的磁力[16]。

表1 超導(dǎo)機械密封的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 YBCO超導(dǎo)塊材的磁力特性分析

文中通過理論和試驗對超導(dǎo)體的磁力特性進行相關(guān)分析。超導(dǎo)密封電磁力計算時，首先計算單個超導(dǎo)塊的磁力，然后將各超導(dǎo)塊的計算結(jié)果進行疊加。通過計算超導(dǎo)體的B-H和E-J電磁本構(gòu)關(guān)系，求出單個超導(dǎo)塊所提供的承載力和剛度。超導(dǎo)體的電磁特性可用麥克斯韋方程描述：

(1)

式中：D為電位移向量；ρe為電荷密度；E為電場強度；B為磁感應(yīng)強度；H為磁場強度；J為電流密度。

基于上述模型，利用電磁場有限元分析軟件求得磁場分布，再采用空間積分的方法得到超導(dǎo)瓦塊的磁懸浮力，即承載力，如式(8)所示。

B=μm·H

(2)

式中：μm為介質(zhì)的磁導(dǎo)率。

對液膜壓力p求端面面積上的積分得承載力F：

為獲得靜態(tài)磁場的微分方程，可引入磁向矢量A，則磁感應(yīng)強度B可用A的旋度表達，如式(3)所示。

根據(jù)表1中的超導(dǎo)塊參數(shù)及式(6)—(8)，計算了超導(dǎo)塊與永磁體在不同間隙hc下的超導(dǎo)磁力，如圖3所示?？梢钥闯觯S著hc的增加磁力呈下降趨勢。hc為5 μm時超導(dǎo)塊磁力為56 N，hc為30 μm時超導(dǎo)塊磁力為49 N，是hc為5 μm時的87.5%。在hc為5～30 μm時，16塊超導(dǎo)塊可提供784 ～896 N的超導(dǎo)磁力，其大小與機械密封的液膜力在同一數(shù)量級，可對機械密封性能產(chǎn)生明顯影響。

咨詢單位往往會遇到同一份文件或圖紙需要多個專業(yè)會審的情況，若用紙質(zhì)文件、紙質(zhì)圖紙進行傳閱，完成周期會比較長。有的文件涉及“站前”“站后”20多個專業(yè)，如果每個專業(yè)安排半天，則總共需要10多天。為提高工作效率和質(zhì)量，實施施工圖審核的全過程數(shù)字化非常必要。

B=▽·A

(3)

聯(lián)立式(1)(2)可得靜態(tài)磁場微分方程如式(4)所示。

(4)

Jc=σ(?A/?t+?Φ)

(5)

式中：Jm為永磁體磁化電流；Jc為超導(dǎo)體臨界電流密度；σ為介質(zhì)電導(dǎo)率；Φ為電標矢量。

計算超導(dǎo)體的臨界電流密度時，有多種模型可供選擇，如Bean模型、Kim模型、指數(shù)模型等。文中選用最常用的Bean模型。將Jc設(shè)為固定值，則靜態(tài)磁場的能量函數(shù)如式(6)所示。

(6)

式中：Г為磁場邊界；n為邊界的外法線單位矢量；Ω為磁場區(qū)域。

作者簡介:賀紅兵(1971.7-),男,漢族,內(nèi)蒙古巴彥淖爾,本科,主任醫(yī)師,內(nèi)蒙古磴口縣人民醫(yī)院,神經(jīng)內(nèi)科,研究方向:頸椎病,頸源性頭痛。

為利用有限元求解，可將式(6)轉(zhuǎn)化為條件變量問題，如方程組(7)所示，其中A0為已知量。

(7)

一般，超導(dǎo)體的超導(dǎo)磁力特性主要受外電磁場和內(nèi)感應(yīng)電流I決定，超導(dǎo)電流I由磁感應(yīng)強度B決定，即I∝E，D×E=-?B/?t，而B可由式(2)獲得。

為了避免國土資源財政稅收預(yù)算資金在使用過程中的浪費，國土資源管理部門可以將資金管理作為切入點，在保證成本預(yù)算和資金預(yù)算相結(jié)合的基礎(chǔ)上，嚴格進行資本預(yù)算的編制和相應(yīng)的審核，對整個預(yù)算管理的流程進行有效的監(jiān)督和全面的把控，最大限度地提升預(yù)算資金的使用效率。比如，在進行預(yù)算編制的時候，要根據(jù)上一年的收支情況為依據(jù)，并考慮其他的增長因素合理測算、編制下一年的收入和支出預(yù)算。

(8)

更年輕、更飽滿化的設(shè)計是路虎未來的一種趨勢，盡管吳濱也認為曾經(jīng)造型方正的路虎發(fā)現(xiàn)更有味道，但優(yōu)秀的設(shè)計從來都不是飽含情懷的炒冷飯而是一種不斷探索進化的過程。全新的大燈、飽滿的前臉、充滿張力的側(cè)面線條，這些都是路虎革新設(shè)計中吳濱偏愛的細節(jié)。而像水箱格柵的造型、發(fā)動機蓋上的英文以及黑色處理的A柱，這些又是對經(jīng)典路虎車型有傳承的細節(jié)。在吳濱的理解中，路虎渴望旗下的每款車都能清晰地令人們感知它的品牌內(nèi)涵，但每一輛車卻又需要在這種大風格下具備獨特的性格。這是設(shè)計中極難把控的一點，當然這也是設(shè)計頗具趣味的一面。

圖3 超導(dǎo)磁力理論計算值

機械密封的性能參數(shù)主要包括承載力、泄漏量、膜厚和摩擦阻力矩等。其中，液膜厚度會導(dǎo)致機械密封超導(dǎo)磁力的變化。超導(dǎo)體的磁力場和液膜的流場是弱耦合關(guān)系，因此，在分析機械密封性能時可以采用解耦的方法，分別計算超導(dǎo)磁力場部分和流體力場部分，再將兩者疊加即可得到含超導(dǎo)磁力的機械密封性能。分析流程如圖5所示。

圖4 超導(dǎo)塊材磁力測試系統(tǒng)及YBCO塊材磁力測試結(jié)果

2 超導(dǎo)磁力對機械密封性能的影響分析

2.1 含超導(dǎo)塊的機械密封性能計算模型

在圖4(a)所示磁力檢測系統(tǒng)上對超導(dǎo)塊材的磁斥力進行了測量，測試結(jié)果如圖4(b)所示?？梢钥闯?，超導(dǎo)塊和永磁體靠近和遠離時，超導(dǎo)磁斥力隨間隙變化的實測值和理論計值吻合度較高，兩者平均差值為2.2 N，從而證明了文中理論計算結(jié)果的正確性。

圖5 超導(dǎo)機械密封性能分析流程

文中對于機械密封潤滑性能的計算，采用的是經(jīng)課題組長期研究提出的仿真計算方法[18-20]。該方法建立在流體潤滑理論基礎(chǔ)之上，核心計算模型為采用雷諾方程、能量方程等對含螺旋槽機械密封承載力、泄漏量等的建模模型。該方法已經(jīng)在多項研究中使用，是一種較為簡便的經(jīng)典數(shù)字化建模方法。圖6所示為文中研究的機械密封的動環(huán)端面螺旋槽結(jié)構(gòu)，圖7所示為機械密封動環(huán)和靜環(huán)在平衡狀態(tài)時潤滑膜厚的理論分析模型，螺旋槽密封的廣義雷諾方程極坐標形式如公式(9)所示，流體潤滑膜厚度計算公式如式(10)所示。由于考慮超導(dǎo)磁力FM的作用，且在FM與液膜力FL共同作用下機械密封的靜環(huán)和動環(huán)處于平衡狀態(tài)，此時液膜壓力p為軸系的軸向載荷F與FM的差值即FL產(chǎn)生。

圖6 動環(huán)外螺旋槽結(jié)構(gòu)

圖7 機械密封動靜環(huán)潤滑膜的理論分析模型

(9)

h=h0-φrcosθ-γrsinθ+hg

(10)

式中：φ為動環(huán)軸線與z軸夾角在yz平面上投影角，γ為動環(huán)軸線與z軸在xz平面上投影角(如圖7所示)；hg為螺旋槽深度。

當動環(huán)上開有深度為he的螺旋槽時，在非槽區(qū)hg=0，在槽區(qū)hg=he。

當液膜形成后，密封環(huán)端面的摩擦阻力矩可由式(11)積分求得

(11)

(12)

父親說，祖父早年離開家鄉(xiāng)，遠赴南洋經(jīng)商，但他一直保持著中國的傳統(tǒng)，時時告誡子女要做一個堂堂正正的中國人。對于祖父的遺訓(xùn)，父親似乎一點也不敢怠慢，終其一生，他都奉為圭臬。

(13)

2.2 超導(dǎo)磁力對機械密封性能的影響

根據(jù)表1及式(13)等，計算獲得了機械密封在不同轉(zhuǎn)速下的承載力和超導(dǎo)磁力，如圖8所示。不考慮超導(dǎo)磁力時，承載力F隨轉(zhuǎn)速n的升高而增加，從1×104r/min時的1.35 kN增加為3.5×104r/min時的2.49 kN，增加了84%；考慮超導(dǎo)磁力時，F(xiàn)獲得了明顯的提升，在n為1×104r/min時F增加了66.1%，在n為3.5×104r/min時F增加了36.1%，平均增加了896 N。F的增加增大了系統(tǒng)的剛度，可有效增大密封系統(tǒng)的端面承載力和減小表面碰磨的發(fā)生。從圖8中還可以看出，隨著n增加超導(dǎo)磁力增加不明顯，其原因為雖然n增加使得膜厚增大，但是膜厚增加值僅為幾微米，不足以使得超導(dǎo)磁力產(chǎn)生劇烈變化。

值得一提的是，如今的西王村擁有4家上市公司，除去西王集團的3家，另外一家是西王村三星集團旗下的中國玉米油。兩家企業(yè)，同村發(fā)展，彼此爭斗20多年，共同塑造了中國上市第一村的傳奇。鄒平是山東縣域經(jīng)濟的代表，西王、三星、魏橋、齊星，這些行業(yè)巨頭企業(yè)根植當?shù)?，彼此千絲萬縷，朝野政經(jīng)通達，創(chuàng)造了諸多民間奇跡，也延伸出了諸多系統(tǒng)性風險。某種意義上說，鄒平是解讀山東的最佳樣本。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下機械密封的承載力和超導(dǎo)磁力

根據(jù)表1及式(5)—(12)，通過計算獲得了機械密封在不同轉(zhuǎn)速下的泄漏量值，如圖9所示?？梢钥闯觯诓豢紤]超導(dǎo)磁力時，泄漏量Q隨轉(zhuǎn)速n的升高呈增加趨勢，從1×104r/min時的0增加為3.5×104r/min時的2.65 mL/s；如考慮超導(dǎo)磁力的影響，在各轉(zhuǎn)速下Q均有所增加，在n為1×104r/min時Q增加了0.86 mL/s，在n為3.5×104r/min時Q增加了0.96 mL/s，平均增加了0.72 mL/s。雖然Q的增加對密封效果不利，但對于渦輪泵機械密封的泄漏量一般要求在4 mL/s以內(nèi)，可見文中的泄漏量增幅在可以接受的范圍之內(nèi)。因此，在加入超導(dǎo)磁力后，不會對密封效果產(chǎn)生大的負面影響。

圖9 不同轉(zhuǎn)速下機械密封的泄漏量

根據(jù)表1及式(10)等，通過計算獲得了機械密封在不同轉(zhuǎn)速下的流體潤滑膜厚度值，如圖10所示?？梢钥闯?，在不考慮超導(dǎo)磁力時，膜厚h隨轉(zhuǎn)速n的升高呈增加趨勢，從1×104r/min時的3.8 μm增加為3.5×104r/min時的9.2 μm；如考慮超導(dǎo)磁力的影響，在各轉(zhuǎn)速下h均有所增加，在n為1×104r/min時h增加了2.5 μm，在n為3.5×104r/min時h增加了3.3 μm，平均增加了2.8 μm。

對于文中機械密封，動環(huán)表面粗糙度Ra1一般為0.8 μm，靜環(huán)表面粗糙度Ra2一般為1.6 μm，也就是說只有h大于其二者之和2.4 μm與一個安全系數(shù)的乘積才能說明動環(huán)和靜環(huán)已經(jīng)脫開?？梢娂尤氤瑢?dǎo)磁力后有助于機械密封的低速脫開，減小啟停的磨損，這對提高機械密封壽命是非常重要的。

其實，人類本身就是生態(tài)文明的重要組成部分，胡總書記曾說：“自然界是包括人類在內(nèi)的一切生物的搖籃，是人類賴以生存和發(fā)展的基本條件”。[3]生態(tài)文明的建設(shè)，最重要的是為人類自身生存的利益，優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境，是人類獲得幸福生活所能保障的重要因素。因而，為了人類能夠獲得幸福的生態(tài)文明環(huán)境，在建設(shè)過程中，必須明確人類自身的主體地位，不應(yīng)該是被動地接受。

根據(jù)表1及式(11)等，通過計算獲得了機械密封不同轉(zhuǎn)速下的摩擦阻力矩值，如圖11所示。可以看出，在不考慮超導(dǎo)磁力時，摩擦阻力矩Mf隨轉(zhuǎn)速n的升高逐漸增大；如考慮超導(dǎo)磁力的影響，在各轉(zhuǎn)速下Mf均有所降低，在n為1×104r/min時Mf減小了0.19 N·m，在n為3.5×104r/min時Mf減小了0.70 N·m，平均減小了0.47 N·m。Mf的減小有助于機械密封的長期可靠運行，顯然對于渦輪泵壽命的提高非常有利。

圖11 不同轉(zhuǎn)速下機械密封的摩擦阻力矩

3 結(jié)論

(1)設(shè)計含YBCO超導(dǎo)塊的機械密封，根據(jù)超導(dǎo)機械密封結(jié)構(gòu)與工作特點，建立了超導(dǎo)磁力計算模型和機械密封的性能計算模型。

(2)仿真分析表明，添加的高溫超導(dǎo)材料可在間隙為5～30 μm時提供784～896 N的超導(dǎo)磁斥力。在轉(zhuǎn)速為10 000～35 000 r/min時，含有超導(dǎo)材料的機械密封承載力平均增大了896 N，泄漏量平均增大了0.72 mL/s，膜厚平均增加了2.8 μm，摩擦阻力矩平均降低了0.47 N·m。

(3) 低易發(fā)區(qū)：面積為1 032.26 km2，占研究區(qū)面積的27%，主要包括中東部山莊鄉(xiāng)一帶，大鳳川流域，研究區(qū)西部的上里塬鄉(xiāng)黃土臺塬地區(qū)。區(qū)內(nèi)地貌類型主要為黃土低山丘陵區(qū)，植被良好，主要為耕地、林地，人類工程活動等因素影響較小，區(qū)內(nèi)分布地質(zhì)災(zāi)害點45處。

(3)承載力和膜厚的增大以及摩擦阻力矩的降低有助于減小在極端工況下因啟動和停止而產(chǎn)生的磨損，使得渦輪泵機械密封的多次利用成為可能。