軸面微楔形織構(gòu)油封性能研究

油密封是一種常見(jiàn)的旋轉(zhuǎn)密封，通過(guò)旋轉(zhuǎn)密封，可以防止泄漏，防止雜質(zhì)入侵?，F(xiàn)在，它也廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、航空、石化等行業(yè)。但隨著高精產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,對(duì)油封性能也提出了更高的要求,如環(huán)保性、低能耗性、密封可靠性和長(zhǎng)壽命等,故而設(shè)計(jì)和研究出新型、性能更為優(yōu)良的唇形密封成為當(dāng)前油封研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)為減弱唇口表觀形貌對(duì)油封性能的強(qiáng)化功能,并據(jù)前人在機(jī)械密封端面上加工各種微觀織構(gòu),可達(dá)到提高液膜承載力和減小泄漏率的經(jīng)驗(yàn),學(xué)者們?cè)O(shè)想在旋轉(zhuǎn)軸面上設(shè)計(jì)和加工出具有一定形狀、尺寸和方向各異的微觀織構(gòu),利用流體相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的局部空化和動(dòng)壓效應(yīng)達(dá)到提高油封性能的目的,但因缺乏有效的理論分析模型和對(duì)金屬軸面微觀織構(gòu)加工要求的高標(biāo)準(zhǔn)而難以實(shí)現(xiàn)鑒于此,以微菱形孔軸面油封為研究對(duì)象,綜合考慮軸向力動(dòng)態(tài)平衡和JakobssonFlobergOlsson(JFO)質(zhì)量守恒邊界條件,構(gòu)建油膜密封模型,利用有限元模擬對(duì)油膜承載力、泵汲率及油膜剛度等參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,為唇型密封的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論支持和研究途徑。1幾何和理論模型1.1軸向?qū)挾燃盎A(chǔ)膜厚度h菱形孔軸面唇形密封的局部結(jié)構(gòu)和截面形狀如圖1所示。當(dāng)油封穩(wěn)定工作時(shí),密封區(qū)處于全液膜潤(rùn)滑狀態(tài),在徑向壓力和潤(rùn)滑油壓力共同作用下,可形成軸向?qū)挾萀為50~120μm、基礎(chǔ)膜厚度h1.2動(dòng)壓油封數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建由于油膜很薄,忽略膜厚層間壓力變化,且設(shè)介質(zhì)為牛頓液體而黏度不變?？紤]油膜空化作用,根據(jù)質(zhì)量守恒的圓柱坐標(biāo)系Reynolds方程有式中,θ為油膜密度ρ與未空化油體密度ρ假設(shè)相對(duì)軸面為微孔織構(gòu)形貌,油封唇口面為光滑表面,密封區(qū)油膜的厚度h為由于微菱形孔在圓周上呈周期性分布,故選圖1(b)中局部均布單周期作為研究對(duì)象,則強(qiáng)制性邊界條件有周期性邊界條件為同時(shí)JFO空化互補(bǔ)條件有采用有限差分法將公式(1)離散,再與式(2)~(5)聯(lián)合求解,構(gòu)建動(dòng)壓油封數(shù)學(xué)模型,利用C++語(yǔ)言編程計(jì)算p,修正h反復(fù)迭代求解p,直至滿(mǎn)足收斂判據(jù)即停止,用最終p值求解油膜剛度K2結(jié)論分析2.1側(cè)壓力q的計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù):密封區(qū)域軸向?qū)挾萀=100μm,基礎(chǔ)膜厚h工作參數(shù):油側(cè)壓力p泵汲率Q為空氣側(cè)流向油膜側(cè)的流量,以油膜側(cè)邊界計(jì)算為負(fù)值,為便于表示均取正值。同時(shí),在計(jì)算研究和分析幾何參數(shù)、操作參數(shù)對(duì)密封性能影響時(shí),除特殊說(shuō)明外,其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)均維持不變。2.2參數(shù)對(duì)密封性能的影響2.2.1密封區(qū)內(nèi)的波狀分布當(dāng)線(xiàn)速度U=0.75m/s時(shí),不同工作壓力p由圖2可見(jiàn),由于軸面微菱形孔的存在,導(dǎo)致較強(qiáng)的動(dòng)壓效應(yīng),在密封區(qū)內(nèi)形成周期性波狀分布?jí)毫?chǎng)。隨著p當(dāng)p而當(dāng)p不同工作壓力對(duì)密封性能影響如圖3所示。由圖可見(jiàn),隨著p2.2.2規(guī)則等壓線(xiàn)分布工作速度U變化時(shí)密封區(qū)內(nèi)油膜壓場(chǎng)的變化情況如圖4所示。由圖可見(jiàn),運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)微菱形孔織構(gòu)的液膜能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的動(dòng)壓效應(yīng),膜壓呈規(guī)則等壓線(xiàn)分布,形成中間凸起的封閉性等壓線(xiàn),近中心區(qū)等壓線(xiàn)較密,邊緣區(qū)等壓線(xiàn)較稀。隨著U增大等壓線(xiàn)致密度增大,壓力峰值p工作速度U變化對(duì)密封性能影響如圖5所示。由圖可見(jiàn),隨工作速度U的增大,油膜承載能力F2.2.3基本組件厚度密封區(qū)基礎(chǔ)膜厚h2.3結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封性能的影響2.3.1半軸比半軸比γ對(duì)密封性能的影響如圖7所示。由圖中可見(jiàn),隨著γ增大,F2.3.2菱形槽深菱形槽深h2.3.3圓形溝的方位角菱形槽方位角α3性能優(yōu)化q和k(1)與傳統(tǒng)油封相比,軸面微菱形孔織構(gòu)油封可顯著提升其動(dòng)壓和泵汲效應(yīng),具有更好的Q和K(2)選用合理工