船用机械密封的动态特性研究

论文摘要

由于机械密封的工作条件复杂,它的运行状况受到多种条件的影响,而且对机械密封的研究涉及到多个学科领域,如流体润滑、摩擦学、接触理论、传热学等,因此国内外学者对机械密封的工作机理尚未完全清楚。对机械密封的研究主要集中在机械密封端面的接触摩擦状况和端面的变形上面,然而机械密封端面间润滑液膜厚度很薄,密封端面的变形很小,都达到微米级,采用一般理论计算密封性能参数时精度很难达到要求,利用相关软件进行分析时需要对它进行多种场耦合分析,而这给机械密封的研究增加了难度。本文利用机械密封的基本相关理论,结合ANSYS和MATLAB软件,对机械密封的启动过程进行了动态分析,并对机械密封在小扰动情况下,密封环的振动过程进行了动力学分析。1)在对机械密封的启动过程进行动态分析过程中,首先采用ANSYS软件计算密封端面的力变形影响系数、热变形影响系数和温度变形影响系数,然后利用MATLAB软件编制计算程序,结合影响系数法,对密封环进行热变形分析,接着进行力变形分析,然后利用力变形分析的结果作为热变形分析的条件进行热分析,这样就达到了对机械密封环热-结构耦合分析的目的。在热-结构耦合分析中,本文把机械密封端面间的液膜和端面的粗糙度考虑在内,并考虑了密封端面间的接触摩擦热和密封端面粗糙度对端面液膜的粘性热。得到了机械密封在启动过程中,密封端面间接触压力、液膜压力以及泄漏量的变化情况。2)在对机械密封环动力学特性的研究中,本文把密封环的振动分解为轴向振动和角摆动,并分别对机械密封环的轴向振动和轴向振动与角摆动的耦合振动进行了分析。在分析过程中,考虑了密封端面间的接触作用和液膜压力作用,并把端面间液膜的作用分解为流体静压、流体动压和挤压三项,考虑了密封环摆动过程中,密封端面间流体的动压作用,考虑了密封环轴向振动过程中密封环对液膜的挤压作用,得到了机械密封振动过程中密封环的轴向振动和角摆动的变化过程,得到了任意时刻机械密封端面间接触压力分布和压膜压力分布,以及密封环振动过程中泄漏量的变化情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 研究问题的提出
• 1.3 相关理论的研究现状
• 1.3.1 机械密封端面的摩擦和润滑状况研究现状
• 1.3.2 机械密封端面的耦合研究现状
• 1.3.3 机械密封环的动力学问题研究现状
• 1.4 本论文研究的主要内容、关键问题和研究方法
• 第2章 机械密封热-结构耦合研究的理论基础
• 2.1 粗糙表面间的流体润滑理论
• 2.1.1 两粗糙表面间的流体润滑理论
• 2.1.2 压力流量因子和剪切流量因子的计算方法
• 2.2 表面微凸体的接触分析理论
• 2.2.1 微凸体的塑性接触模型
• 2.2.2 微凸体的弹塑性接触模型
• 2.3 机械密封环的热分析理论与方法
• 2.3.1 瞬态温度场的分析理论与有限元求解
• 2.3.2 密封端面摩擦热和粘性热的计算
• 2.3.3 对流换热系数的计算
• 2.4 影响系数法的基本思想
• 2.5 本章小结
• 第3章 机械密封的动态耦合分析
• 3.1 密封端面间的液膜压力计算模型
• 3.2 密封环的几何模型与力学分析模型
• 3.3 结构力变形和热变形的影响系数法的计算模型
• 3.3.1 力变形影响系数的求解方法
• 3.3.2 温度影响系数和热变形影响系数的求解方法
• 3.4 机械密封的泄漏量的计算
• 3.5 机械密封的耦合分析步骤和结果分析
• 3.5.1 机械密封的耦合分析步骤
• 3.5.2 计算结果与分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 机械密封的动力学特性分析
• 4.1 机械密封环动力学微分方程的一般形式
• 4.2 机械密封的轴向振动研究
• 4.2.1 机械密封的轴向振动的运动方程
• 4.2.2 密封端面液膜厚度和接触力的处理
• 4.2.3 含挤压项的Reynolds方程的求解处理
• 4.2.4 微分方程的编程求解与结果分析
• 4.3 机械密封的轴向振动与摆动的耦合研究
• 4.3.1 密封环的轴向振动与摆动耦合方程的建立
• 4.3.2 计算结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的与研究方向相关论文