机械密封性能的数值分析及优化研究

论文题目: 机械密封性能的数值分析及优化研究

论文类型: 硕士论文

论文专业: 载运工具运用工程

作者: 朱学明

导师: 刘正林

关键词: 机械密封,热结构耦合分析,摩擦热,热瞬态分析,密封性能优化

文献来源: 武汉理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在重载条件下机械密封端面容易出现局部高温和高应力，严重影响密封装置整体性能。由于传统理论计算密封性能参数的精度有限，因此迫切需要一套科学系统的机械密封性能计算模型。本文基于ANSYS软件平台，综合国内外在机械密封性能理论研究的新成果，从结构静态、热-结构耦合稳态和瞬态三个角度建立了计算机械密封性能的有限元新模型，并进行了密封性能优化研究。在结构静态分析中，本文以变形分析为切入点，分析了隔离体和整体粘接法的不足，基于接触理论提出了整体接触法，保证了端面受力与变形的协调，实现了端面接触力的自动求解和静密封环(浮动环)平衡。结构分析结果表明，密封端面在力和力矩作用下产生锥形变形，形成接触闭合区和锥形开口区，且在接触区有应力集中。在热-结构耦合稳态分析中，对热和结构场进行了直接耦合；摩擦热载荷依据接触压力计算，采用APDL函数式添加，通过耦合温度自由度和定义大接触导热率两种基本等效方法分配，并根据循环迭代法提高加载精度。稳态分析结果表明，对软硬材料配对副，摩擦热导致密封端面锥形变形增大，接触区域缩小，且接触区域内出现局部高温、高接触压力和高应力，其中由于动环材料弹性模量大，其端面应力很高，尤以周向压应力突出。在热-结构耦合瞬态分析中，采用定义小时间步方案避免出现由于摩擦热载荷重复计算导致的初始时刻过大问题，并依据前一时刻接触压力计算后一时刻热载荷的思路和表数组方式实现了动态摩擦热的添加。理想瞬态分析实例表明，加载过程中密封端面产生热机效应，稳定减载过程中端面参数平稳下降。结合磨损和摩擦状态等工程实际，减载密封性能主要取决于端面液膜稳定性，快速减载引起的端面锥度变化容易导致液膜失稳和密封性能恶化。在密封性能优化方面，从接触均匀性和内接触类型两角度，借助ANSYS的优化模块进行了静环端面轴向伸出长度的优化运算，优化结果可在保证内接触条件下提高接触均匀性；针对密封端面局部温升问题，分析了适当冲洗和冲洗极限对密封端面性能影响，结果表明适当冲洗可显著提高密封性能，冲洗极限还可大幅提高密封性能，但目前远不能达到。

论文目录:

第一章绪论

1.1 机械密封装置简介

1.2 问题的提出

1.3 国内外研究现状

1.3.1 机械密封性能的主要参数

1.3.2 机械密封环变形研究现状

1.3.3 机械密封环的温度场研究现状

1.3.4 机械密封环的耦合分析研究现状

1.3.5 机械密封环的变工况和优化研究现状

1.4 研究的目的和意义

1.5 本论文研究的主要内容、关键技术问题和方法

第二章机械密封环的结构分析

2.1 结构分析基本理论

2.1.1 轴对称的弹性力学基本方程

2.1.2 轴对称四边形单元的有限元离散

2.2 机械密封环结构分析的基本要求、前提和已知条件

2.2.1 机械密封环结构分析的基本要求

2.2.2 机械密封环结构分析的建模前提

2.2.3 机械密封环结构分析的已知条件

2.3 机械密封环的隔离体分析方法

2.3.1 隔离体法的边界条件处理

2.3.2 隔离体法的计算结果分析

2.4 机械密封环的整体粘接分析方法

2.4.1 机械密封环整体粘接分析法的边界处理

2.4.2 整体粘接法的计算结果分析

2.5 机械密封环的整体接触分析法

2.5.1 密封端面的接触理论及整体接触分析思路

2.5.2 接触类型及接触方式的选择

2.5.2.1 接触类型的选择

2.5.2.2 接触方式的选择

2.5.3 整体接触分析的建模步骤及方法

2.5.3.1 整体接触分析的建模步骤

2.5.3.2 整体接触分析的建模方法

2.5.4 整体接触分析法的计算结果分析

2.5.5 密封端面力平衡的校核

2.6 本章小结

第三章机械密封环的稳态热—结构耦合稳态分析

3.1 热及热—结构稳态耦合分析的基本理论

3.1.1 热分析理论

3.1.1.1 温度场计算微分方程

3.1.1.2 温度场的有限单元法变分运算

3.1.1.3 温度场计算的矩阵方程扩充

3.1.2 热—结构耦合理论

3.1.2.1 耦合类型的选择

3.1.2.2 热—结构耦合稳态分析的矩阵方程

3.2 机械密封端面摩擦热的分析

3.2.1 摩擦热载荷的处理形式

3.2.2 总摩擦热载荷的计算

3.2.3 摩擦热载荷的添加思路

3.2.3.1 初始摩擦热载荷的添加

3.2.3.2 摩擦热载荷添加精度的计算与提高

3.2.4 摩擦热载荷的分配原则

3.2.5 摩擦热载荷的分配方法

3.2.6 摩擦热载荷的添加、收敛及分配在ANSYS软件上的实现

3.2.6.1 APDL语言

3.2.6.2 摩擦热添加方法在ANSYS软件上的实现

3.2.6.3 提高摩擦热载荷精度的循环替代计算

3.2.6.4 摩擦热的分配在ANSYS软件上的实现

3.3 对流换热系数的计算

3.3.1 动环边界的流体对流换热系数计算

3.3.2 静环边界的流体对流换热系数计算

3.4 机械密封环稳态热—结构耦合分析模型的建模过程

3.4.1 建模前提

3.4.2 建模步骤

3.4.3 热边界条件的施加

3.5 机械密封环的热—结构耦合分析计算

3.5.1 热分析部分已知条件

3.5.2 机械密封环的热—结构耦合计算结果分析

3.5.2.1 机械密封端面的温度分布及热量分配

3.5.2.2 机械密封端面的受力和变形分析

3.5.2.3 密封端面摩擦热加载精度分析

3.5.2.4 密封端面应力分析

3.5.2.5 机械密封端面的稳态和静态计算结果综合分析

3.5.3 摩擦功率的计算模型

3.5.3.1 摩擦功率的估算模型

3.5.3.2 摩擦功率的精确计算模型

3.5.3.3 两功率的计算结果比较

3.6 本章小结

第四章机械密封环的热—结构耦合瞬态分析

4.1 瞬态热—结构耦合分析基本理论

4.1.1 瞬态温度场分析的基本微分方程及边界条件

4.1.2 瞬态温度场分析泛函构造及变分运算

4.1.3 瞬态温度场分析的系统函数构造

4.1.4 瞬态热—结构耦合分析的系统方程

4.2 机械密封环瞬态热—结构耦合分析思路

4.2.1 机械密封环初始条件的计算思路

4.2.2 机械密封环的瞬态分析思路

4.2.2.1 动载荷的储存和调用

4.2.2.2 动态摩擦热的添加方法

4.2.2.3 密封端面的瞬态温度关系

4.3 瞬态分析的基本步骤

4.4 机械密封环瞬态特性研究

4.4.1 机械密封环加载工况研究

4.4.2 机械密封环减载工况研究

4.4.3 机械密封环的瞬态特性综合分析

4.5 本章小结

第五章机械密封性能优化研究

5.1 机械密封环的结构优化

5.1.1 机械密封环结构优化的基本原则

5.1.2 机械密封环的结构优化方法

5.1.2.1 结构优化设计的基本概念

5.1.2.2 机械密封环结构设计参数及优化模型

5.1.3 机械密封环结构优化计算

5.1.3.1 机械密封环结构优化的一般步骤

5.1.3.2 结构优化设计在ANSYS软件上的实现

5.1.3.3 机械密封环的结构优化设计计算及结果

5.1.4 机械密封环结构优化的工程意义

5.2 机械密封环的环境优化

5.2.1 密封端面内侧冲洗对机械密封环稳态性能的改善

5.2.2 密封端面内侧冲洗对机械密封环稳态性能的改善极限

5.3 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的与研究方向相关论文

发布时间: 2005-04-13

参考文献

[1].密封生热对叶片密封性能的影响[D]. 韩青.武汉科技大学2018
[2].指尖密封性能与结构特征关联特性分析[D]. 江岸英.西北工业大学2007
[3].组合槽干气密封端面结构及密封特性研究[D]. 陈志强.西华大学2018
[4].气体密封端面运行状态监测和故障诊断技术的研究[D]. 夏雄.北京化工大学2012
[5].金属波纹管机械密封的有限元分析及实验验证[D]. 吴卫杰.北京石油化工学院2015
[6].激光加工多孔端面机械密封的数值分析[D]. 潘晓梅.中国石油大学2007
[7].机械密封面电化学光整加工及其对密封性能影响的基础研究[D]. 冯广.新疆大学2015
[8].核主泵用深槽端面机械密封性能理论研究[D]. 于明彬.浙江工业大学2010
[9].螺旋槽干气密封端面流场的数值模拟及参数研究[D]. 李凤芹.西华大学2008
[10].高压低速干摩擦机械密封性能的研究[D]. 陈科.北京化工大学2009

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