端面流体膜密封角向摆动自振产生及其半频特性的阐释

端面流体膜密封的浮环半频摆动自振特性是其一种固有属性,类似于径向流体膜轴承中的“半速涡动”。基于流体流动连续性原理,对端面流体膜密封角向摆动自激振动的产生及其半频特性的机理提出了一种简化力学的阐释。     

波度及静环静态角偏差对螺旋槽气体端面密封稳态特性的影响

建立了考虑螺旋槽气体密封端面周向波度及静环静态角偏差的理论模型。利用有限元法数值求解稳态雷诺方程,得到了端面周向气膜压力分布,进一步分析了不同压缩数下周向波度及静环静态角偏差对密封稳态特性参数的影响规律。结果表明:中、高压缩数下,波度及静环静态角偏差对气膜周向压力分布及径向压力梯度产生显著影响;波幅及波数对密封稳态特性影响不尽相同;过大的静环静态角偏差会导致端面气膜压力出现不均匀的峰值及谷值,使密封产生剧烈偏摆,造成端面瞬间接触,加剧端面磨损,最终导致密封泄漏失效。     

外在激励对流体静压型机械密封动态稳定性的影响

机械密封动力学性能对密封系统稳定性有很大的影响,微小的振动会导致密封泄漏量增加和端面磨损加剧。根据机械动力学原理,建立了流体静压型机械密封静环轴向振动和角向摆动的动力学耦合方程,通过解耦得到两个独立的线性振动方程。在Simulink环境下,利用MATLAB软件编程模拟分析了几种典型的外在激励对密封环动态稳定性的影响,得到最佳的试验密封环结构参数值。模拟分析表明,若要密封环在角向有尽量小的摆动,就必须选取较大的转折半径,且端面锥角尽量趋向于零;若要减小轴向的振动强度,就须减小端面锥角,且尽量避免取转折半径可选范围的中间值。     

不同端面几何结构气膜密封的刚度与自振稳定性

分析了气膜密封的端面几何结构及其刚度与自振稳定性的内在关系,认为288型端面气膜密封工业产品的长期正常稳定是由于采用了具有很高气膜刚度的螺旋槽顺流泵几何结构的结果。     

螺旋槽干气密封压差扰动下的瞬态特性研究

干气密封的瞬态特性是密封动力学研究中的重要内容,而现有研究主要关注于密封稳态特性的研究。本文针对密封内外压差波动这一典型工况开展仿真分析,研究螺旋槽干气密封在扰动工况下的瞬态特性。计算中,将润滑方程、接触方程与动力学方程耦合求解,以轴向膜厚、角向偏摆角、泄漏率和端面接触载荷为主要指标。结果表明:密封侧压力突降相比较于突升,更易引起密封环震荡,但后者更易诱发端面接触。对于扰动引起的瞬态震荡,密封的角向行为引起震荡时间的延长与震荡幅值的减小,其与轴向行为共同决定端面接触的可能性。动静环间的极薄气膜不仅将动环的行为传递给静环,同时通过弱化轴向与角向行为的相互影响来缓解扰动所引起的密封瞬态震荡。     

锥度及静态静环角偏差对低速干气密封气膜动态特性的影响

利用小扰动法结合有限元法求解气膜控制方程——动态雷诺方程,得到了端面稳态及动态压力分布.计算了表征气膜动态特性的主要参数——刚度系数和阻尼系数,分析了端面锥度和静态静环角偏差对气膜动态特性的影响规律.结果表明:负锥度对主气膜刚度系数和主阻尼系数有显著影响,正锥度影响较小;静态静环角偏差对主气膜刚度系数和主阻尼系数以及耦合气膜刚度系数和阻尼系数都具有明显的影响;通过调节密封端面锥度和角偏差可以改变气膜动力学行为,进而可以改善密封环的角向运动.     

压力扰动下气膜浮环密封的瞬态稳定性研究

针对浮环密封容易因密封气压力的扰动导致性能不稳定,从而发生故障以致设备停产的问题,对受压力扰动下的浮环瞬态密封稳定性和上浮稳定性进行了研究。采用UDF编程以及Fluent软件,建立了浮环密封气膜瞬态研究模型;通过提取稳态运行时的结果,设定受扰瞬态模拟的初始值,采取调整时间步长的方法使迭代计算结果收敛,同时对比和分析了不同精度网格模拟结果验证其无关性;并进一步地研究了正弦压力扰动下浮环瞬态密封性能及瞬态上浮性能的变化规律,通过分析不同结构参数大小的浮环受扰结果,探究了浮环间隙及节流长度与瞬态稳定性的内在联系。研究结果表明:在正弦压力扰动下,浮环间隙越大瞬态密封稳定性能越差,间隙为0.013 mm时,密封受扰瞬态稳定性最好;浮环节流长度增加,压力扰动下的瞬态泄漏量波动会减小,而瞬态上浮力波动会增大,但当节流长度超过5 mm后,稳定性基本不再劣化。设计时可尽量减小间隙并适当增加节流长度以增强浮环瞬态稳定性。     

干气密封动力学研究新进展

干气密封动力学是确保干气密封稳定运行的关键。从稳定运行阶段和非稳态运行阶段两方面,综述了国内外最近十年干气密封动力学的发展现状;归纳了影响干气密封动力学行为的主要因素,包括气膜及辅助密封圈的动态特性系数、挠性元件安装方式、密封端面碰摩特性、实验测试方法等;重点介绍了在稳定运行阶段考虑轴向和角向微扰单独作用或同时作用时,密封结构参数及操作参数对气膜动态特性系数的影响规律,挠性安装环的动态追随特性,振动稳定性,密封系统非线性动力学响应规律等的研究现状;分析了启停阶段和变工况阶段的非稳态动力学特性的研究进展;指出实际气体效应、热力耦合效应和阻塞流效应对干气密封动力学行为有重要影响,是未来需要关注的研究方向。     

《机械工程学报》被EI收录论文目次(2002年第4期)

气膜端面密封角向摆动自振稳定性………………………………………………………………………………………刘雨川徐万孚王之栎等(1)3自由度柔性微机器人的静刚度分析……………………………………………………………………………………于靖军毕树生宗光华等(7)不可微优化的捆集法及其在工程优化设计中的应用………………………………………………………………………王周宏钟敷芳陈义保(11)非守恒粘弹性输流管道系统的动力分析…………………………………………………………………………………王忠民赵凤群冯振宇等(17)壅塞流动下绝热毛细管长…     

仿生集束螺旋槽干式气体密封特性的数值分析

基于耦合仿生学原理,提出一种仿生集束螺旋槽端面干气密封结构以解决普通单向螺旋槽干气密封在高速条件下存在的泄漏率高、稳定性欠佳等问题。基于气体润滑理论,建立仿生集束螺旋槽的端面几何模型和数学模型,数值模拟分析槽宽比、螺旋角、微槽数及阶梯槽深比对动压开启力增长率、轴向气膜刚度、角向气膜刚度和刚漏比等密封特性参数的影响规律,给出仿生集束螺旋槽主要结构参数的优选值范围。结果表明:在高速低压条件下,相比于普通单向螺旋槽干气密封,仿生集束螺旋槽干气密封的密封性和稳定性等密封性能都有显著改善,其动压开启力增长率、轴向气膜刚度和刚漏比的增幅均超过20%。结果证明基于飞鸟翼翅的端面型槽仿生设计可以显著改善普通单向螺旋槽干气密封在高速条件下的运行稳定性,为相关工程选型与开发设计提供参考。     

摩擦摆中的摩擦激励特性研究

介绍一种摩擦摆实验装置,建立摩擦摆稳定摆动状态下系统的运动微分方程,计算并讨论摩擦副间相对角速度和相对角加速度对摩擦摆自激振动稳定性的影响。结果表明:与相对加速度有关的交变摩擦力是系统自激振动的主要原因,因此有效控制工程实践中各种摩擦自激振动的途径在于,力求使摩擦副间摩擦力既不随相对速度变化,更不随相对加速度波动。     

带有圆周方向均压槽的静压气体止推轴承的气锤自激

通过开设均压槽,可以增加静压气体轴承的承载能力和刚度,但是如果气体轴承的均压槽等参数设计不合理,会出现一种振动现象——气锤自激振动,尤其是设计高压重载气体止推轴承时。针对常用的圆盘止推气体轴承,建立轴承活动件的动力学方程,再运用小扰动方法和流量连续性方程得到了气锤自激振动的稳定性判别方程。通过求解稳定性判别方程,发现供气压力越大,自激振动的倾向性越强;气膜间隙在一定范围内容易引起自激振动;节流孔直径越大,自激振动的倾向性越强;当止推轴承的外径和内径的比值比较小时,容易发生气锤自激。通过计算得到了不发生气锤自激振动的轴承设计参数,可用于高压重载气体止推轴承的设计。     

油气两相动压密封自振稳定性流固热耦合分析

考虑热与变形对油气两相动压密封自振稳定性的影响,建立基于油气两相动压密封自振稳定性数学模型,采用流固热耦合有限元方法,研究油气比、转速、压差和O形圈阻尼等参数对油气两相动压密封受干扰后的轴向、角向自振稳定性能的影响。结果表明:转速较低时轴向自振稳定性较好而角向自振稳定性较差,转速高时两者相反,O形圈阻尼较低时轴向自振稳定性较差而角向自振稳定性较好,O形圈阻尼高时两者相反,因此在极端转速和取极端O形圈阻尼的情况下轴向或角向临界频率较小,不利于油气两相动压密封自振稳定;压差越大轴向临界频率越大,轴向自振稳定性越好,但角向临界频率越小,角向自振稳定性越差;随着两相介质油气比的增大,轴向临界频率减小而轴向临界质量增大,油气比在0.1～0.15时临界频率、质量以及转动惯量较大,密封综合自振稳定性能较好。     

三自由度微扰下箔片端面气膜密封动态特性分析

提出一种新型箔片端面气膜密封方式,基于气体润滑与弹性力学理论,应用小扰动法建立箔片端面气膜密封的微扰膜压控制方程。对比分析了不同箔片变形力学模型下的动态特性系数变化规律,探究了不同工况及结构参数对气膜动态特性的影响规律,以最大动态主刚度和阻尼作为综合优化目标,确定了结构参数的优选范围。结果表明：随着激振频率、转轴转速的提高,气膜动态主刚度与动态主阻尼的动态互补变化,抑制了润滑膜厚的激变,同时作为气膜不稳定诱因的动态交叉系数的变化放缓,降低了因工况突变引起气膜振荡、失稳的风险;此外,介质压力的增大能够显著提升密封维稳、抗振性能。当楔形高度取5～8 μm,节距比取0.2～0.4,箔坝比取0.5～1.1,箔片数取4～6,箔片结构阻尼取5×107～8×107 Pa·s/m时,箔片端面气膜密封综合动态抗扰性能较优。     

螺旋槽干运行非接触气体密封的理论分析与试验

设计制造了“W ndef 288型”螺旋槽干运行非接触气体密封(线速度111,4 m/s、温度110℃),并进行了动态与稳定性分析、特别是角向半频自激振动及共振振荡的理论分析。工业模拟运行了近3 000 h(100余次起停),上万的测试数据表明了其优异的性能。     

The self-excited vibrations of an axially retracting cantilever beam using the Galerkin method with fitted polynomial basis functions

In the present study, the self-excited vibrations of an axially retracting beam under gravity is investigated. A GFB method is presented to discretize the system energy functions, in which the orthogonality relationships between the basis functions are needless. In this way, the motion equations can be derived in a much simpler way of matrix. The presented method and the derived motion equations are validated by comparing the computed results with which from previous literature. Based on the computed dynamic responses, the effect of gravity on beam dynamic behavior is investigated. An interesting phenomenon of self-excited vibration is observed as the beam retracts with a certain axial speed. Finally, the effects of retracting speed, structural damping and static tip deflection on self-excited vibration are investigated.     

螺旋槽干气密封性能参数的测试技术及试验研究

由于干气密封端面间隙仅为3~5 μm,因而对端面流场气膜参数及其位移变化量的测试技术是个难点,同时也是研究干气密封系统稳定运行的关键点。基于Labview测试系统软件平台,通过编写测试程序建立干气密封端面参数测试系统,确定相应的测试技术,选用合适的传感器等硬件设备,采用必要的抗干扰措施,对影响端面密封性能的参数(泄漏量、功耗、膜压)和端面稳定性参数(膜厚及振动位移)进行测试,研究不同工况下压力和转速对端面参数的影响。试验表明：气膜压力、气膜厚度、泄漏量、功耗随着压力和转速的升高而增大;气膜和静环的位移量随着压力和转速的增加而减小;气膜的振动幅值很微小,特例中仅为0.04～0.16 μm,,说明静环追随动环性能较好;同时,气膜刚度随着压力和转速的升高而增加,反映出高压力、高转速下干气密封能够稳定运行。