螺旋槽干氣密封系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)行為研究碩士論文_第1頁(yè)
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1、. . . . 碩士學(xué)位論文螺旋槽干氣密封系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)行為研究The Research on Nonlinear Dynamic Behavior of the Spiral Grooved Gas SealsbyZHU LiB.E. (Lanzhou University of Technology) 2008M.S. (Lanzhou University of Technology) 2011A thesis submitted in partial satisfaction of theRequirements for the degree ofMaster of Engineer

2、inginChemical Process Mechanical Engineeringin the Graduate SchoolofLanzhou University of TechnologySupervisorProfessor Yu ShurongMay, 2011理工大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人重聲明:所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者

3、簽名:日期: 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,即:學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù),并通過網(wǎng)絡(luò)向社會(huì)公眾提供信息服務(wù)。本學(xué)位論文屬于1、,在年解密后適用本授權(quán)書。2、不。(請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框打“”)作者簽名: 日期: 年 月 日導(dǎo)師簽名: 日期: 年 月 日59 / 69學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明:所

4、呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名: 日期: 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定,同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版,允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索,可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名:日期

5、: 年 月 日導(dǎo)師簽名: 日期: 年 月 日目 錄摘要Abstract第1章 緒 論11.1 課題研究的意義11.2 國(guó)外研究歷史和現(xiàn)狀形式11.2.1 國(guó)外研究歷史和現(xiàn)狀11.2.2 國(guó)研究歷史和現(xiàn)狀31.2.3 發(fā)展趨勢(shì)41.3 課題來源與主要研究工作61.4 課題的創(chuàng)新點(diǎn)與關(guān)鍵性問題7第2章 螺旋槽干氣密封的基本理論82.1 螺旋槽干氣密封的工作原理82.2 力學(xué)模型與受力分析92.3 螺旋槽干氣密封的材料112.4 螺旋槽干氣密封的槽型幾何參數(shù)132.5 螺旋槽干氣密封特點(diǎn)與其與其他機(jī)械密封的比較14第3章 干氣密封螺旋槽潤(rùn)滑氣膜動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的計(jì)算與分析163.1 螺旋槽干氣密封氣膜剛

6、度的計(jì)算163.2 螺旋槽干氣密封阻尼系數(shù)的數(shù)學(xué)模型163.2.1 氣膜壓力復(fù)函數(shù)的表達(dá)式163.2.2 軸向阻尼系數(shù)的數(shù)學(xué)模型173.2.3 角向阻尼系數(shù)的數(shù)學(xué)模型173.3 特定工況下干氣密封阻尼系數(shù)的計(jì)算和分析173.3.1 軸向阻尼系數(shù)183.3.2 角向阻尼系數(shù)193.4 變工況下干氣密封阻尼系數(shù)的計(jì)算和分析203.4.1 軸向阻尼系數(shù)203.4.2 角向阻尼系數(shù)213.5 本章小結(jié)22第4章 螺旋槽干氣密封雙自由度軸向振動(dòng)的追隨性分析244.1 軸向振動(dòng)下氣膜-密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型244.2 氣膜特性參數(shù)計(jì)算254.2.1 氣膜軸向剛度計(jì)算254.2.2 氣膜軸向阻尼計(jì)算2

7、54.3 特定工況下靜環(huán)振動(dòng)追隨性分析254.3.1 特定工況下靜環(huán)振動(dòng)分析254.3.2 變工況下靜環(huán)振動(dòng)追隨性分析264.3.3 變結(jié)構(gòu)參數(shù)靜環(huán)振動(dòng)追隨性分析274.4 本章小結(jié)27第5章 干氣密封氣膜-密封環(huán)系統(tǒng)軸向動(dòng)力穩(wěn)定性分析285.1 基本方程的建立與求解285.2 非線性氣膜動(dòng)態(tài)參數(shù)的計(jì)算285.3 方程的簡(jiǎn)化295.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析305.4.1 用指數(shù)方法研究系統(tǒng)分岔問題305.4.2 研究系統(tǒng)分岔問題的螺旋角圍305.4.3 變工況下系統(tǒng)分岔問題的螺旋角圍315.5 本章小結(jié)32第6章 螺旋槽干氣密封特性參數(shù)的試驗(yàn)研究336.1 干氣密封試驗(yàn)裝置336.2 樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和

8、零部件攝影圖346.2.1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸346.2.2 樣機(jī)零部件攝影圖346.3 干氣密封試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)356.3.1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)356.3.2 特性參數(shù)的測(cè)試技術(shù)356.4 特性參數(shù)的測(cè)定結(jié)果與分析386.4.1 泄漏量測(cè)定386.4.2 功耗測(cè)定386.4.3 氣膜軸向剛度測(cè)定39結(jié)論41參 考 文 獻(xiàn)42致 45附錄A 攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文46附錄B 潤(rùn)滑氣膜阻尼的計(jì)算程序47附錄C 螺旋槽干氣密封雙自由度軸向振動(dòng)的追隨性程序51附錄D 軸向振動(dòng)穩(wěn)定性程序53摘 要螺旋槽干氣密封操作的穩(wěn)定性和可靠性與其槽型參數(shù)息息相關(guān),其動(dòng)力學(xué)特性一直是國(guó)外研究的熱點(diǎn)。本文以螺旋槽干氣密封

9、為研究對(duì)象,建立了軸向振動(dòng)下氣膜-密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,利用Maple程序求解了軸向振動(dòng)方程,對(duì)靜環(huán)追隨動(dòng)環(huán)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析,在此基礎(chǔ)上利用特例計(jì)算并擬合非線性氣膜動(dòng)態(tài)參數(shù),得到了一個(gè)非線性受迫振動(dòng)微分方程,分析了螺旋角對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。主要研究容和結(jié)論如下:建立了氣膜軸向和角向阻尼系數(shù)的計(jì)算模型,利用Maple程序求解阻尼系數(shù)的近似表達(dá)式,通過動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析,獲得不同介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速下的槽型參數(shù)。分析結(jié)果表明:隨著介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速的增大,氣膜阻尼系數(shù)增大,得到穩(wěn)定性最佳的螺旋角數(shù)值,且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致,說明所建立的阻尼系數(shù)數(shù)學(xué)模型正確。建立了軸向振動(dòng)下氣膜-密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動(dòng)

10、力學(xué)模型,利用Maple程序求解了軸向振動(dòng)方程,獲得了在不同追隨性系數(shù)下的靜環(huán)時(shí)間歷程圖。研究結(jié)果表明:特例中靜環(huán)追隨動(dòng)環(huán)的臨界條件是彈簧剛度為氣膜剛度的0.42倍,改變工況不影響其臨界條件。但隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化,臨界條件發(fā)生了改變??梢娡ㄟ^選擇合理的追隨性系數(shù)可以控制氣膜的穩(wěn)定性,為干氣密封動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)?;诜蔷€性振動(dòng)理論,在特例下計(jì)算并擬合非線性氣膜動(dòng)態(tài)特性參數(shù),得到了一個(gè)非線性受迫振動(dòng)微分方程。在無外激勵(lì)情況下,通過求Floquet指數(shù)討論了系統(tǒng)分岔問題,分析了螺旋角對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,給出了使干氣密封系統(tǒng)穩(wěn)定的螺旋角圍,并求得在特例下螺旋角=751326時(shí)系統(tǒng)發(fā)生Hopf

11、分岔。這與先前利用龍格-庫(kù)塔法研究的結(jié)果一致,從而驗(yàn)證了該方法的正確性。改變工況討論系統(tǒng)分岔問題,得到了系統(tǒng)分岔時(shí)的螺旋角數(shù)值,結(jié)果表明其螺旋角數(shù)值基本不變,說明改變工況其分岔點(diǎn)位置不變,其結(jié)果為干氣密封的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。在一通密封的2900r/min密封試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)螺旋槽干氣密封系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。完成了氣體端面密封試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)、測(cè)試系統(tǒng)的硬件配置。測(cè)試了泄漏量、功耗和氣膜軸向剛度,給出了氣體端面密封試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果,并與理論計(jì)算近似值比較,進(jìn)行誤差分析。試驗(yàn)測(cè)出數(shù)值與計(jì)算結(jié)果較為吻合。關(guān)鍵詞:螺旋槽;干氣密封;阻尼系數(shù);Maple程序;追隨性;非線性;穩(wěn)定性;分岔

12、;試驗(yàn)研究AbstractThe stability on a system of spiral grooved gas seal is closely related to its dynamical characteristic, and hence its dynamical characteristic has been the domestic and foreign research area. The paper takes spiral groove dry gas seal as research project,dynamical model on two degree o

13、f freedom system of gas film and seal ring subjected to axial vibration was established, and the axial vibration equation was solved by using the Maple program , then the static ring following-up rings dynamical characteristic has been analyzed, on the basis, a nonlinear forced vibration differentia

14、l equation was derived while the nonlinear dynamical characteristic of the gas film was calculated and simulated, and the stability influenced by spiral angle was analyzed in the system. The main contents and achievements are summarized as follow:Calculation model on a system of axial damper and ang

15、ular damper coefficient, and the approximate function expression of damper coefficient were solved by using the Maple program, and the approximate solution of gaseous film rigidity was obtained. Finally optimizing geometric parameters under environment pressure and speed were acquired by analyzing t

16、he dynamic stability. The results show that with the increase of environment pressure and speed, damper coefficient increases and then got the finally optimizing geometric parameters that the basic agreement of experiment date. So calculation model on a system of damping coefficient is correct, whic

17、h provides the theoretical basis on dynamical optimization design of gas seals.The dynamical model ofdual freedom degree of gas film-seal ring systemunder axial vibration was established.The axial vibration equation was solved by using the Maple program, then the time history charts of stationary ri

18、ngwithvarious following-up coefficients were obtained. The results show that the critical condition of stationary ring following rotating ring is that spring rigidity value is 0.42 times greater than gas film rigidity value. The critical condition remains unchanged with changing operating parameters

19、,but it changes with the change of structure parameters. The stability of gas film can be controlled by selecting suitable following-up coefficient, which may provide the theoretical basis forthe dynamical optimization design of gas seal.The dynamical axial vibration model of the gas film and seal r

20、ings in the system of dry gas seals was established that the help of the theory of nonlinear vibration, a nonlinear forced vibration differential equation was derived while the nonlinear dynamical characteristic of the gas film was calculated and simulated, in order to obtain the Melnikov function,

21、the free oscillation equation of a kind of nonlinear dynamics system was solved, an exact solution to the problem was obtained under varying initial conditions. The bifurcation question was discussed according to Floquet exponent, and the stability influenced by spiral angle was analyzed in the syst

22、em, the range of the spiral angle enable system stable was given on the condition of none outer excitation, when spiral angle at 751014the Hopf bifurcation occurs in the system. Regions of structure parameters enable system stable was obtained, the result guiding the dynamic optimization in the dry

23、gas seals system. The experimental investigation of groove dry gas seal was conducted on the 2900r/min test device in ChengDu YiTong Seal Co., Ltd. The research finished overall plan of instrumentation system and hardware configuration, tested leakage, power lose and gaseous film rigidity, obtained

24、test results and analyzed error between test and calculation data. Comparing some data from experiments with that of approximate calculation, the results show that dynamical and mathematical model of the gas flow between seal faces is validated correctly. KeyWords:Spiral groove; Gas seals; Damper co

25、efficient; Maple program; Following-up; Nonlinear ; Stability;Bifurcation; Test research第1章 緒 論1.1 課題研究的意義目前,國(guó)外石化行業(yè)普遍使用離心式壓縮機(jī)來輸送各類工藝氣體,這些氣體大多具有可燃性、腐蝕性、易燃與有毒的特性,而且通常工作壓力和溫度較高,一旦密封失效,不僅污染環(huán)境,影響人體健康和產(chǎn)品質(zhì)量,而且往往會(huì)導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等重大事故。為了防止或者限制這些工藝氣體沿壓縮機(jī)旋轉(zhuǎn)軸端部泄漏到大氣中,須采用各種有效的軸端密封裝置。在整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)中,軸端密封僅僅是一個(gè)很小的部件,但它往往能決定機(jī)器設(shè)備的

26、安全性、可靠性和耐久性,其作用對(duì)整臺(tái)機(jī)器、整套裝置乃至整個(gè)工廠的影響都很大。近年來,隨著密封技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,出現(xiàn)了一種稱之為干式氣體密封1(Dry Running Gas Seal)的新型軸封,解決了多年來機(jī)械密封一直不能干運(yùn)轉(zhuǎn)的難題。這種密封采用氣體作為密封介質(zhì),是一種非接觸式新型軸端密封。干氣密封部氣體流動(dòng)的氣膜平衡間隙尺度(典型值為35m)為微米級(jí)。顯然,間隙微小變化極有可能導(dǎo)致動(dòng)靜密封環(huán)間的干摩擦或泄漏量增大,因而保證氣膜穩(wěn)定性是干氣密封可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。而氣體端面密封的穩(wěn)定性和可靠性與其動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān),其動(dòng)力學(xué)特性一直是國(guó)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)2。1.2 國(guó)外研究歷史和現(xiàn)狀形式1

27、.2.1 國(guó)外研究歷史和現(xiàn)狀1.2.1.1 理論與試驗(yàn)研究螺旋槽干氣密封是基于螺旋槽軸承理論而發(fā)展起來的。螺旋槽軸承理論始于上世紀(jì)二十年代,1925年,德國(guó)的 L.Gumbel首次提出螺旋槽止推軸承的概念。由于計(jì)算機(jī)水平的限制,人們對(duì)此問題的分析都采用的是近似解析方法3。上世紀(jì)四十年代,Wipple對(duì)螺旋槽主推軸承的理論進(jìn)行了探討,提出了壓力線性分布假設(shè),研究了等間距排列的平面平行槽與平板間的流體流動(dòng),發(fā)展了Wipple 軸承理論4。1951年,Wipple提出了一種理論,用于解可壓縮或不可壓縮流體的基本動(dòng)力潤(rùn)滑方程,即Wipple 窄槽理論。1966年,Muijderman 在Wipple

28、模型的基礎(chǔ)上,采用復(fù)變函數(shù)保角變換理論將螺旋槽模型轉(zhuǎn)化成平行直線槽模型,并重點(diǎn)考慮了槽端部的影響,提出了較完整的螺旋槽軸承理論5。Wipple和Muuijderman的方法,只研究了層流、穩(wěn)流的流體流動(dòng)規(guī)律。1969年Gardner用解析法研究了結(jié)合流體靜壓原理和動(dòng)壓原理的弧形螺旋槽端面非接觸式機(jī)械密封6。同年,John Zuk等利用有限差分法計(jì)算了螺旋槽機(jī)械密封的流場(chǎng)和壓力場(chǎng),分析表明當(dāng)槽深與槽寬之比小于1/8時(shí)(一般的淺螺旋槽機(jī)械密封均能滿足此條件),橫截面渦流的影響可以忽略7。1973年Gardner實(shí)驗(yàn)研究了水潤(rùn)滑螺旋槽機(jī)械密封的性能,并將研究結(jié)果應(yīng)用于潛水泵8。1974年,Hsing

29、利用攝動(dòng)理論開始研究螺旋槽流體流動(dòng)的軸向和徑向動(dòng)態(tài)特性9。從20世紀(jì)50年代到70年代初,可認(rèn)為是處于流體動(dòng)壓型機(jī)械密封機(jī)理探索和研究階段,這為隨后的工業(yè)應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。從20世紀(jì)70年代開始,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,尤其是在計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度和存貯能力得到大幅度提高以后,借助計(jì)算機(jī),人們能夠比較精確地模擬密封端面間氣膜的流場(chǎng),這為螺旋槽干氣密封的開發(fā)、設(shè)計(jì)提供了重要手段。1974年螺旋槽干氣密封首次成功地應(yīng)用于煉油廠的透平膨脹機(jī)上,標(biāo)志著其工業(yè)應(yīng)用的開始10。1979年Ralph P.Gabriel發(fā)表了螺旋槽氣體潤(rùn)滑機(jī)械密封的重要文獻(xiàn)“Fundamentals of Spiral G

30、roove Noncontacting Face Seals”11。它總結(jié)了螺旋槽氣體潤(rùn)滑機(jī)械密封發(fā)展到當(dāng)時(shí)的典型結(jié)構(gòu),解釋了密封操作的基本原理,闡述了操作條件和設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)密封性能的影響。20世紀(jì)80年代中期以后,國(guó)外螺旋槽干氣密封已基本成熟,被廣泛應(yīng)用于離心式壓縮機(jī)等高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械上。但研究仍在不斷深入,1994年,Clieniche等人采用有限差分法求解了開槽機(jī)械密封含湍流影響因子的流體動(dòng)力潤(rùn)滑方程。1995年,Kowalski用有限差分法計(jì)算并設(shè)計(jì)了能反轉(zhuǎn)的螺旋槽干氣密封12。端面槽形從僅能單向旋轉(zhuǎn)的螺旋形發(fā)展到具有反轉(zhuǎn)特性的單向螺旋形,以與能雙向旋轉(zhuǎn)的組合螺旋燕尾槽。同時(shí),新材料在端面密

31、封技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,密封端面材料從傳統(tǒng)的碳化鎢發(fā)展到導(dǎo)熱性能更好且易于制造的表面滲氮和滲硼鐵基合金13。1.2.1.2 國(guó)外干氣密封產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用 1968年,John Crane公司在加德納研制并試驗(yàn)出圓弧面螺旋槽非接觸式機(jī)械密封,獲得美國(guó)專利3499653。該公司從20世紀(jì)70年代初期開始,陸續(xù)推出其適用于離心壓縮機(jī)的28型系列干氣密封。目前,28型系列有28LD、28、28AT和28NE四種基本型式14。28LD適用于低壓、中速的工業(yè)風(fēng)機(jī)、氣體傳送裝置;28適用于小直徑管線和離心壓縮機(jī);28AT適用于高速、高壓的大直徑管線和離心壓縮機(jī);28NE適用于蒸汽透平、透平膨脹機(jī)和其它

32、高溫設(shè)備。在四種基本型式中又分成不同的密封系列,如單端面、雙端面和串聯(lián)式??梢愿鶕?jù)不同的氣體種類、設(shè)備類型、操作條件和安全性要求來選擇。單端面型主要用于輸送空氣、氮?dú)夂投趸嫉燃词褂猩倭繗怏w泄漏到大氣中也沒有危害的場(chǎng)合。雙端面型用于對(duì)環(huán)境有污染的不允許泄漏到大氣中或介質(zhì)不穩(wěn)定或有負(fù)壓危險(xiǎn)的場(chǎng)合。串聯(lián)式普遍用于壓力超過了單端面所能承受的能力或在側(cè)作為第一級(jí)主密封,在外側(cè)作為第二級(jí)備用密封的場(chǎng)合。除了離心式壓縮機(jī)用干氣密封,John Crane公司還推出了泵用干氣密封系列和反應(yīng)釜和攪拌器用干氣密封系列。到1985年時(shí),螺旋槽干氣密封已獲得了廣泛的商業(yè)應(yīng)用。目前,該公司的28型系列干氣密封已經(jīng)成為

33、一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)配置,被廣泛應(yīng)用于石油化工等行業(yè)。除John Crane外,國(guó)外比較著名的開發(fā)、生產(chǎn)干氣密封產(chǎn)品的公司還有像美國(guó)的Flowserve公司、德國(guó)的Burgmane公司以與日本的EKK公司。Flowserve公司現(xiàn)有Gaspac系列壓縮機(jī)用干氣密封產(chǎn)品,具有槽形獨(dú)特,輔助密封可靠的特點(diǎn)。Burgmane公司已經(jīng)開發(fā)出了CGS泵用干氣密封、AGS反應(yīng)釜、攪拌器用干氣密封以與DGS壓縮機(jī)用干氣密封。20世紀(jì)90年代后,John Crane和Burgmane公司成功推出了適用于雙向旋轉(zhuǎn)的干氣密封產(chǎn)品15。1.2.2 國(guó)研究歷史和現(xiàn)狀1.2.2.1 理論與試驗(yàn)研究我國(guó)在上世紀(jì)80年代中期,可是

34、逐步引進(jìn)國(guó)外干氣密封技術(shù),應(yīng)用于大型離心式壓縮機(jī)。通過實(shí)踐證明,干氣密封具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。同時(shí),國(guó)有關(guān)的研究機(jī)構(gòu)也相繼對(duì)干氣密封進(jìn)行了一些研究。1990年,王美華用三角形單元有限元法計(jì)算了人字型槽機(jī)械密封端面間的壓力場(chǎng),并隨后發(fā)表了其熱變形與力變形的計(jì)算結(jié)果16。1991年,王建榮、顧永泉等用普遍有限元法計(jì)算了圓弧槽氣體密封的特性17。1994年,蔡文新等用八結(jié)點(diǎn)有限單元法計(jì)算了螺旋槽氣體密封的壓力18。1995年,建等也采用八結(jié)點(diǎn)有限單元法計(jì)算了螺旋槽出氣體密封的壓力,并進(jìn)行了部分參數(shù)優(yōu)化19。1996年,胡丹梅采用八結(jié)點(diǎn)有限單元法計(jì)算了直線斜槽氣體密封的壓力分布和密封性能20。1999年

35、,雨川采用有限單元法計(jì)算了螺旋槽氣體密封的壓力、溫度以與變形21。2002年,林培峰對(duì)螺旋槽氣體端面密封氣膜間的壓力場(chǎng)分布進(jìn)行了有限元分析并開發(fā)了專門的有限元軟件,得到了螺旋槽氣體端面的氣膜壓力場(chǎng),并且討論了密封的幾何參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)壓力場(chǎng)的影響22。2002年,雙喜對(duì)螺旋槽氣體端面密封的動(dòng)態(tài)熱性進(jìn)行了分析,得到了端面氣體密封的擾動(dòng)特性的18個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù),討論了螺旋槽氣體密封幾何參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)密封動(dòng)態(tài)性能的影響23。2003年,子濤在林培峰的研究基礎(chǔ)上對(duì)T型槽氣體端面進(jìn)行了有限元分析,得到了T型槽氣體端面密封的壓力分布24。2004年,偉進(jìn)行了螺旋槽氣體端面密封環(huán)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的有限元分析,得到了

36、螺旋槽氣體端面密封的溫度場(chǎng)分布,討論了密封的幾何參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響25。目前,化工大學(xué)的蔡紀(jì)寧,秋翔等人在干氣密封試驗(yàn)研究與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析方面做了些工作,發(fā)表了螺旋槽端面干氣密封的參數(shù)研究,高速螺旋槽氣體密封軸向微擾的有限元分析的論文。交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械工程學(xué)院的王彤博士將微尺度效應(yīng)理論應(yīng)用于螺旋槽干氣密封的流動(dòng)中,在工程熱物理學(xué)報(bào)上發(fā)表了微尺度效應(yīng)對(duì)螺旋槽干氣密封的影響的論文。這對(duì)干氣密封技術(shù)的應(yīng)用具有十分重要的指導(dǎo)意義。1.2.2.2 干氣密封產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開發(fā)和應(yīng)用盡管干氣密封在國(guó)外已經(jīng)運(yùn)行了很多年,但在我國(guó)大量使用干氣密封還在20世紀(jì)80年代中期,進(jìn)口大型化肥裝置中部分透平壓縮機(jī)

37、以與大型高壓離心泵,開始采用以美國(guó)John Crane的28型為代表的干氣密封,替代了傳統(tǒng)的迷宮式密封和接觸式密封。如中原、錦西、蒙化肥廠、建峰化肥裝置中的CO2壓縮機(jī)組高壓缸就采用了John Crane的28AT型單端面干氣密封。90年代同期引進(jìn)的天華、蒙、化肥裝置中離心式高壓液氨還采用了John Crane的28VL型串聯(lián)式干氣密封。我國(guó)上世紀(jì)90年代初才開始進(jìn)行進(jìn)口干氣密封的國(guó)產(chǎn)化研究以與開展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的干氣密封產(chǎn)品的開發(fā)和研制。鼎銘密封的兩個(gè)產(chǎn)品已于1999年4月獲得了國(guó)家專利,并且多項(xiàng)產(chǎn)品在石化行業(yè)得到應(yīng)用26。1988-1990年,石油大學(xué)(華東)顧永泉、王建榮等首先研制和試

38、驗(yàn)了泵入式圓弧槽氣體端面密封,獲我國(guó)國(guó)家實(shí)用型專利92203159。1992-1994年,國(guó)一些機(jī)械密封生產(chǎn)廠家開始試制干氣密封產(chǎn)品,并通過上機(jī)試驗(yàn)合格后投放市場(chǎng)并獲得成功。其中,鼎銘密封公司利用王玉明院士的專利技術(shù)研制了第一套國(guó)產(chǎn)干氣密封裝置,于1996年底在燕山石化首次應(yīng)用成功,替代了原來從國(guó)外進(jìn)口的密封裝置。該公司先后開發(fā)出了TMO2A,TMO2B,TMO2C和TMO2D四種型號(hào)的干氣密封產(chǎn)品27,已應(yīng)用于全國(guó)大型石化公司。填補(bǔ)了國(guó)離心式壓縮機(jī)用干氣密封的空白。1)TMO2A型單端面干氣密封:當(dāng)被密封的工藝介質(zhì)無毒、無害、壓力為中、低壓,允許少量泄露到大氣中時(shí),可以選用此種形式的密封。2

39、)TMO2B型雙端面干氣密封:當(dāng)介質(zhì)為不允許泄露到大氣中的危險(xiǎn)氣體,但允許隔離氣體(如氮?dú)猓┥倭窟M(jìn)入到工藝介質(zhì)中,可以考慮選用。3)TMO2C型串聯(lián)式干氣密封:適用于各種壓力、危險(xiǎn)性氣體密封場(chǎng)合。4)TMO2D型中間帶直筒的串聯(lián)式干氣密封:這類密封適用于既不允許工藝介質(zhì)泄露到大氣中,也不允許隔離氣體泄露到介質(zhì)中的場(chǎng)合。1.2.3 發(fā)展趨勢(shì)干氣密封技術(shù)雖然已經(jīng)被廣泛應(yīng)用且應(yīng)用圍逐漸擴(kuò)大,但對(duì)干氣密封理論的研究、認(rèn)識(shí)和應(yīng)用還有待于進(jìn)一步的加深。1)干氣密封總體設(shè)計(jì)方面以往的干氣密封研究?jī)H在摩擦、材料等方面進(jìn)行,至今沒有得出令人滿意的結(jié)論。目前已在端面微觀形貌(粗糙度、波度、變形等)、相變、空化等方

40、向開展了一些研究,但是很少?gòu)牧黧w力學(xué)角度入手。考慮耦合傳熱、變形等因素,對(duì)氣體膜流動(dòng)進(jìn)行分析,建立比較實(shí)用的干氣密封設(shè)計(jì)模型,提出相關(guān)的理論和相應(yīng)的改型措施是當(dāng)前需要深入進(jìn)行的重要方面。現(xiàn)代設(shè)計(jì)和機(jī)理的研究相輔相成。把幾何模型的建立和壓力、溫度變形的耦合計(jì)算作為對(duì)象處理,開發(fā)出圖形交互式的計(jì)算分析系統(tǒng),并同時(shí)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比修正,以優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),最終形成一套完整的設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)意義深遠(yuǎn)。這方面需要大量的數(shù)值模擬以與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的搜集統(tǒng)計(jì)工作,需要更多的人員和經(jīng)費(fèi)投入并完善現(xiàn)有CAD軟件功能。由于密封失效存在的原因很多,它和設(shè)計(jì)、操作以與使用條件的關(guān)系尚不清楚,可建立故障診斷和分析系統(tǒng)來進(jìn)行研究28。密

41、封的壓力、溫度會(huì)對(duì)密封性能產(chǎn)生直接的影響,造成密封泄漏,特別是我國(guó)石油化工工業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期將延長(zhǎng),迫切要求開展這方面的研究,以便測(cè)量和記錄現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作條件,并由此確定對(duì)密封性能的影響。隨著旋轉(zhuǎn)設(shè)備向高參數(shù)發(fā)展以與環(huán)保對(duì)密封提出更高的要求,迫切要求密封系統(tǒng)有自動(dòng)監(jiān)測(cè)和調(diào)控功能,而且隨著微電子學(xué)、測(cè)控技術(shù)的發(fā)展與其在密封領(lǐng)域的應(yīng)用,密封技術(shù)的監(jiān)控技術(shù)會(huì)在石化等工業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。但是引起密封失效的因素很多,究竟選擇哪種參數(shù)作為反饋信號(hào)才能夠與時(shí)準(zhǔn)確,也是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。新材料的研制開發(fā)。隨著機(jī)械密封使用要求的提高,也促使其用材進(jìn)一步發(fā)展,如對(duì)有自潤(rùn)滑性硬質(zhì)合金、高性能工程瓷、高性能密封圈材料以與混入納

42、米粒子的SiC-C-C等新材料的研究與應(yīng)用。利用噴涂技術(shù)和新工藝來修復(fù)硬面和制造硬面環(huán)也有很多嘗試。隨著納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展而派生出來的納米摩擦學(xué)的發(fā)展,有很多學(xué)者分析了介質(zhì)潤(rùn)滑性對(duì)摩擦系數(shù)和磨損的影響,從微觀上解釋了摩擦磨損機(jī)理,設(shè)計(jì)與制備出納米尺度上的潤(rùn)滑與減磨耐磨材料,是90年代以來摩擦學(xué)研究領(lǐng)域最活躍,也是材料學(xué)與摩擦學(xué)科交叉領(lǐng)域最前沿的容。為了改善材料的潤(rùn)滑條件,還有很多學(xué)者作了納米粒子做潤(rùn)滑添加劑的研究和展望。 2)理論計(jì)算方面通過對(duì)各種干氣密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元理論分析,從分析結(jié)果對(duì)比可知,有限元法更為準(zhǔn)確、更接近實(shí)際。但從目前國(guó)的研究結(jié)果看,一些理論還不太成熟,方法還不太統(tǒng)一,有待

43、于進(jìn)一步完善。由于干氣密封不可能達(dá)到零泄漏,所以密封布置方式的選擇要更為具體和合理。如何采取有效的措施減少泄漏量是干氣密封的一個(gè)研究方向。液體污染物進(jìn)入密封槽后,經(jīng)逐漸積累會(huì)造成氣膜承載力的下降,有發(fā)生端面接觸的危險(xiǎn)。如何清除和防止槽中液體雜質(zhì)污染需進(jìn)一步研究。密封材質(zhì)的選擇決定了干氣密封的運(yùn)行狀況與使用壽命,因此要通過對(duì)比研究與不斷的實(shí)踐,從而得出一些好的經(jīng)驗(yàn)和結(jié)論。影響干氣密封運(yùn)轉(zhuǎn)性能的因素很多,一般分為密封操作參數(shù)和密封槽型幾何參數(shù)。密封面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封的穩(wěn)定性與可靠性有很大的影響,密封面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題應(yīng)成為研究的重點(diǎn)。另外,一些過去涉與較少的方面比如端面平衡間隙、低速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的密封等

44、也將成為研究的熱點(diǎn)。目前在化工泵中遇到的難題之一是高溫介質(zhì)的零泄漏問題,解決這一關(guān)鍵問題的最好方法是采用波紋管式干氣密封。已焊接金屬波紋管替代彈簧作為彈性元件,由于波紋管具有輔助密封作用,這樣不但省掉了橡膠制作的動(dòng)環(huán)輔助密封圈,而且具有較好的軸向浮動(dòng)性,提高了密封性能。1.3 課題來源與主要研究工作本課題來源于國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50965010)螺旋槽干氣密封非線性動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)理論與方法的研究。主要研究了以下四個(gè)方面的工作:1)螺旋槽干氣密封潤(rùn)滑氣膜阻尼系數(shù)的計(jì)算與分析螺旋槽干氣密封操作的穩(wěn)定性和可靠性與其槽型參數(shù)息息相關(guān),為優(yōu)化槽型參數(shù)建立氣膜軸向和角向阻尼系數(shù)的計(jì)算模型,利用Mapl

45、e程序求解阻尼系數(shù)的近似表達(dá)式,通過動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析,獲得不同介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速下的槽型參數(shù)。分析結(jié)果表明:隨著介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速的增大,氣膜阻尼系數(shù)增大,得到穩(wěn)定性最佳的螺旋角數(shù)值,且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致,說明所建立的阻尼系數(shù)數(shù)學(xué)模型正確。2)螺旋槽干氣密封雙自由度軸向振動(dòng)的追隨性分析螺旋槽干氣密封微尺度氣膜穩(wěn)定性與其靜環(huán)追隨動(dòng)環(huán)的動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān),其追隨性分析是國(guó)外研究的熱點(diǎn)。本文建立了軸向振動(dòng)下氣膜-密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,利用Maple程序求解了軸向振動(dòng)方程,獲得了在不同追隨性系數(shù)下的靜環(huán)時(shí)間歷程圖。研究結(jié)果表明:特例中靜環(huán)追隨動(dòng)環(huán)的臨界條件是彈簧剛度為氣膜剛度的0.42倍,改變工況不影響

46、其臨界條件。但隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化,臨界條件發(fā)生了改變??梢娡ㄟ^選擇合理的追隨性系數(shù)可以控制氣膜的穩(wěn)定性,為干氣密封動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。3)干氣密封氣膜密封環(huán)系統(tǒng)軸向振動(dòng)動(dòng)力穩(wěn)定性分析基于非線性振動(dòng)理論,建立了氣膜-密封環(huán)系統(tǒng)軸向振動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型,在特例下計(jì)算并擬合非線性氣膜動(dòng)態(tài)參數(shù),得到了一個(gè)非線性受迫振動(dòng)微分方程。在無外激勵(lì)情況下,通過求Floquet指數(shù)討論了系統(tǒng)分岔問題,分析了螺旋角對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,給出了使干氣密封系統(tǒng)穩(wěn)定的螺旋角的圍,并求得在特例下螺旋角a=751326時(shí)系統(tǒng)發(fā)生hopf分岔。這與先前利用龍格-庫(kù)塔法研究的結(jié)果一致,從而驗(yàn)證了該方法的正確性。改變工況討論系統(tǒng)分岔

47、問題,得到了系統(tǒng)分岔時(shí)的螺旋角數(shù)值,結(jié)果表明其螺旋角數(shù)值基本不變,說明改變工況其分岔點(diǎn)位置不變,其結(jié)果為干氣密封的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。4)螺旋槽干氣密封特性參數(shù)的試驗(yàn)研究在一通密封的2900r/min密封試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)螺旋槽干氣密封系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。完成了氣體端面密封試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)、測(cè)試系統(tǒng)的硬件配置。測(cè)試了泄漏量、功耗和氣膜軸向剛度,給出了氣體端面密封試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果,并與理論計(jì)算近似值比較,進(jìn)行誤差分析。試驗(yàn)測(cè)出數(shù)值與計(jì)算結(jié)果較為吻合。1.4 課題的創(chuàng)新點(diǎn)與關(guān)鍵性問題課題的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的計(jì)算軸向微擾下氣膜軸向阻尼系數(shù)的計(jì)算,角向微擾下氣

48、膜角向阻尼系數(shù)的計(jì)算。2)軸向振動(dòng)的追隨性分析,即:靜環(huán)追隨動(dòng)環(huán)的動(dòng)力學(xué)特性。3)系統(tǒng)分岔問題,給出了使干氣密封系統(tǒng)穩(wěn)定的螺旋角圍。相應(yīng)解決的關(guān)鍵性問題如下:1)求解氣膜阻尼系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式;2)軸向振動(dòng)下氣膜-密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立;3)基于非線性振動(dòng)理論,對(duì)螺旋槽干氣密封氣膜動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的計(jì)算。第2章 螺旋槽干氣密封的基本理論2.1 螺旋槽干氣密封的工作原理如圖2.1,它主要由加載彈簧、O形圈、靜環(huán)以與動(dòng)環(huán)組成。靜環(huán)和加載彈簧被安裝在靜環(huán)座中,并依靠O形圈進(jìn)行二次密封。靜環(huán)一般用較軟的,有自潤(rùn)滑作用的材料,在彈簧等載荷的作用下,可沿軸向自由移動(dòng)。動(dòng)環(huán)依靠軸套固定在旋轉(zhuǎn)軸上并隨軸

49、旋轉(zhuǎn)。動(dòng)環(huán)由硬度高、剛性好且耐磨的材料制造。圖2.1 螺旋槽干氣密封結(jié)構(gòu)如圖2.2,螺旋槽干氣密封設(shè)計(jì)的特別之處是在動(dòng)環(huán)表面加工出一系列螺旋狀溝槽。槽型線一般選用對(duì)數(shù)螺旋線,數(shù)學(xué)上可用以下方程描述29: (2.1)式中:rg -起始半徑;-角度坐標(biāo);-螺旋角。圖2.2 泵入型螺旋槽工作原理可用圖2.3說明,緩沖氣體(可以是經(jīng)過濾后的壓縮機(jī)出口氣、氮?dú)饣蚨栊詺怏w)注入到密封裝置,動(dòng)、靜環(huán)在流體靜壓力和彈簧力的作用下保持貼合,起到密封的作用。當(dāng)動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)將被密封氣體周向吸入(泵吸作用)槽,氣體沿槽向槽根部運(yùn)動(dòng),由于受到密封堰的阻礙,氣體作減速流動(dòng)并被逐漸壓縮。在此過程中,氣體的壓力升高,即產(chǎn)生了流

50、體動(dòng)壓力。當(dāng)壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí),具有撓性支承的靜環(huán)將從動(dòng)環(huán)表面被推開,這樣密封面之間始終保持一層極薄的氣膜,所形成的氣膜一方面能有效地使端面分開,保持非接觸,另一方面又使相對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)的兩端面得到冷卻。同時(shí),密封面間極小的氣膜間隙能有效地控制泄漏到最低水平。圖2.3 螺旋槽干氣密封工作原理2.2 力學(xué)模型與受力分析以靜環(huán)為研究對(duì)象,對(duì)圖2.1螺旋槽干氣密封結(jié)構(gòu)作受力分析。1)在停止運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),作用于密封副上的力只有流體靜壓力。靜環(huán)受兩個(gè)方向的力,如圖 2.4 所示。一個(gè)是使密封面閉合的力 FC,它由彈簧力和靜環(huán)后面被密封介質(zhì)壓力p1以與背壓 p2引起的力組成。其中 A 為密封面面積。另一個(gè)是使密封面開啟

51、的力 FO,它由作用在密封面上的流體靜壓力引起。此時(shí)開啟力小于閉合力,靜環(huán)端面和動(dòng)環(huán)端面貼合,起到靜態(tài)密封作用。圖2.4 流體靜壓力分布2)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),靜環(huán)仍受到兩個(gè)方向的力。閉合力由彈簧力和靜環(huán)后面被密封介質(zhì)壓力 p1以與背壓 p2引起的力組成。開啟力則由作用在密封端面上的流體靜壓力和流體動(dòng)壓力引起,如圖 2.5 所示。當(dāng)閉合力與開啟力相等時(shí),即 FC=FO時(shí),密封處于平衡工作狀態(tài),動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間形成一個(gè)穩(wěn)定的間隙。圖2.5 正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)氣膜的壓力分布3)當(dāng)受到外來干擾時(shí),可能導(dǎo)致密封面之間的間隙改變。當(dāng)間隙減小時(shí),由氣膜產(chǎn)生的開啟力顯著增加,此時(shí) FCFO,密封間隙將減小,密封也會(huì)很快恢復(fù)

52、到平衡位置,如圖 2.6(b)所示。由以上的受力分析可知,螺旋槽干氣密封系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)的能力,這種自我調(diào)節(jié)的結(jié)果使得動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間能自動(dòng)形成一個(gè)穩(wěn)定的帶壓剛性氣膜,起到密封作用,并且保證動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間非接觸、無磨損,從而使密封具有較長(zhǎng)的工作壽命。 (a)間隙減小時(shí) (b)間隙增大時(shí)圖2.6 間隙變化時(shí)氣膜壓力的分布2.3 螺旋槽干氣密封的材料螺旋槽干氣密封的操作極限與密封組件的許用載荷有關(guān),溫度和壓力極限由所用的輔助密封橡膠和端面材料決定。所以,材料的選擇對(duì)密封裝置長(zhǎng)周期可靠運(yùn)行十分重要。1)密封端面材料典型的干氣密封端面材料如碳化鎢,常常應(yīng)用于離心式氣體壓縮機(jī)上。這些密封材料有著硬度高,耐

53、磨性能好,在承受高壓和大的離心力的情況下,具有小的熱變形性能,但它的韌性低,易脆和難以抵抗熱沖擊。當(dāng)干氣密封端面關(guān)閉時(shí),密封端產(chǎn)生干摩擦,造成表面受到熱處理,從而很容易出現(xiàn)裂紋和裂紋擴(kuò)散和傳播,造成干氣密封失效。有資料表明,一些研究采用表面鍍鉻的不銹鋼動(dòng)環(huán)和石墨靜環(huán)應(yīng)用于干氣密封上也取得了很好的效果。同時(shí),也有試驗(yàn)采用表面氮化或硼化的鐵合金來產(chǎn)生一個(gè)硬的耐磨的表面來取代碳化鎢材料。盡管如此,高硬度的WC材質(zhì)或碳化硅材料還是具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn),并被許多大的密封廠家所采用。干氣密封的端面材料需要有低的熱膨脹系數(shù)和高的導(dǎo)熱性,這樣可以有較好的熱流動(dòng)性,從而降低動(dòng)、靜環(huán)的熱變形。為了減小端面的壓力變形

54、,需要其材料有高彈性模量和強(qiáng)度系數(shù)。同時(shí),由于壓縮機(jī)啟、停過程中密封副必然會(huì)產(chǎn)生接觸,因此密封副材料還需要有較好的耐磨性能。常用材料如表 2.1 所示30-31。表2.1 端面材料的物理特性材料密度導(dǎo)熱系數(shù)熱膨脹系數(shù)彈性模量抗壓強(qiáng)度硬度洛氏A浸Sb 石墨22.50.84204050020SiC3.17124.54501034140TiC4.530737990092WC-Ni14.5186600110089WC-CO14.5205.5400530100090Si3N43.2643.28220320120085動(dòng)環(huán)材料一般選擇碳化鎢或碳化硅,其優(yōu)點(diǎn)是變形小、導(dǎo)熱系數(shù)高、自潤(rùn)滑性能好和硬度高。靜環(huán)常

55、采用浸銻石墨。其材料配對(duì)情況與優(yōu)缺點(diǎn)見表 2.2。表2.2 動(dòng)、靜環(huán)配對(duì)材料材料組合靜環(huán)動(dòng)環(huán)優(yōu)缺點(diǎn)軟/硬浸銻石墨WC-CO抗沖擊性強(qiáng)、硬度略低軟/硬浸銻石墨WC-Ni抗腐蝕性強(qiáng)、硬度略低軟/硬浸銻石墨SiC抗腐蝕性強(qiáng)、比較脆隨著工業(yè)的發(fā)展,機(jī)械設(shè)備的性能要求越來越高,工況條件可能是高壓、高速、高溫等,而密封介質(zhì)又可能具有強(qiáng)腐蝕性或者含有磨料顆粒等,在這些情況下,WC硬質(zhì)合金就不是理想的密封材料了。高參數(shù)的工況條件給干氣密封的研制提出了新的要求,尤其是作為摩擦副硬質(zhì)材料的質(zhì)量應(yīng)達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn),如耐磨損性、耐腐蝕性、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性、自潤(rùn)滑性、氣密性、可加工性以與與之配對(duì)的材料無過大磨損和電化學(xué)腐蝕等。而SiC瓷幾乎滿足了上述的所有要求,是近年開發(fā)并投入使用的新的硬質(zhì)密封材料,在化工、煉油、汽車、原子能、航空、航天等各個(gè)工業(yè)部門的干氣密封中,被越來越多地選為摩擦副材料??梢哉f,為適應(yīng)機(jī)械密封的發(fā)展,新的密封材料會(huì)不斷地被開發(fā)。 2)輔助密封材料輔助密封材料指的是除動(dòng)、靜環(huán)配合密封以外的其余軟性密封材料,主要為O 形圈。對(duì)于輔助密封最重要的特性是溫度極限,擠壓特性和壓力相關(guān)的氣吸現(xiàn)象。在氣吸的環(huán)境下,密封腔的壓力突然下降將導(dǎo)致 O 形圈的變形。為了消除氣吸的損害,壓力下降率應(yīng)低于 2MP

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