液态烃泵机械密封性能与结构优化研究

发布时间：2017-04-03 20:11

  本文关键词：液态烃泵机械密封性能与结构优化研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：针对烃泵双端面密封易损坏的特点，结合生产中的实际工况，对双端面密封中的主密封出现液膜润滑与干摩擦的这两种工作状态进行研究。本文利用ANSYS有限元分析软件建立密封环的热-结构耦合稳态模型，并对密封性能进行分析，对结构进行优化。 在液膜润滑的热-结构耦合分析中，对热与结构进行直接耦合，分析碳化钨分别为动静环在工作中的接触情况，以及碳化钨和石墨为动静环的接触情况，通过数值模拟分析以后得出下面几个结果：动环和静环端面的位移；动环与静环接触以后，端面的变形情况；端面应力和接触压力在端面的分布以及其大小，研究各种参数对密封性能的影响。经过分析，得到以下几个结论：碳化钨与石墨配对的密封环端面最高温度高于碳化钨与碳化钨配对的密封环，碳化钨与石墨配对的密封环端面间有收敛的间隙，开口向外，端面内部接触，接触应力最大值在端面内径处，应力值随着半径的增大逐渐增大；碳化钨与碳化钨配对的密封环端面接触良好，但是在密封环内径处有应力集中现象。 在干摩擦的热-结构耦合分析中，采用自润滑性比较好，摩擦系数较低的石墨来作为静环，并对碳化钨与石墨的密封环组合进行分析，同样得出上一段中的几个研究参数：端面位移，接触变形、端面应力和接触压力，并且分析某些参数改变以后，密封端面间间隙的大小，确定其作为干摩擦研究对象的可行性，为干摩擦密封的实验研究打好理论基础。 在结构优化方面，从接触的均匀性与接触类型两个角度出发，对静环进行倒角，然后借助ANSYS软件对新模型进行数值模拟，得到的结果是：密封端面应力集中消除，端面接触均匀，最高温度也有一定的下降。在性能优化方面，借助实验平台对碳化钨与石墨的干摩擦密封进行分析，通过改变密封的结构参数与操作参数来观察密封的泄漏情况，结果表明：载荷系数对密封泄漏量有较大的影响。在转速与密封腔压力研究方面，转速越低，密封腔压力越大，泄漏量就越小，所以干摩擦密封以后要往高压低速的方向发展。
【关键词】：机械密封 热-结构耦合分析 摩擦热 密封性能 密封试验
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH136
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 液态烃泵机械密封的常用形式12-15
• 1.1.1 单端面接触式机械密封结构分析12-13
• 1.1.2 单端面接触式机械密封的不足13-14
• 1.1.3 双端面密封的定义和结构14-15
• 1.2 实际工况下的问题描述15-16
• 1.3 双端面密封的工作环境16-18
• 1.4 国内外研究现状18-24
• 1.4.1 密封的性能参数18-20
• 1.4.2 双端面密封的研究现状20-21
• 1.4.3 机械密封环的温度场和优化研究现状21-22
• 1.4.4 机械密封环耦合场的研究现状22-23
• 1.4.5 干摩擦密封的研究现状23-24
• 1.5 研究的目的和意义24-25
• 1.6 本文主要研究的内容25-28
• 第二章 机械密封环热应力分析的理论基础28-36
• 2.1 传热学基本理论28
• 2.2 有限元方法简介28-29
• 2.3 热力学问题的有限元解法29-30
• 2.3.1 稳态温度场的有限元解法29
• 2.3.2 热-结构耦合的理论基础29-30
• 2.4 轴对称弹性力学基本方程30-32
• 2.5 温度场计算微分方程32-33
• 2.6 机械密封端面摩擦热的理论分析33-34
• 2.6.1 摩擦热载荷的处理形式33
• 2.6.2 摩擦热载荷的分配原则33-34
• 2.7 本章小结34-36
• 第三章 液膜润滑机械密封的有限元分析与优化36-62
• 3.1 密封的主要参数36-38
• 3.1.1 几何参数36-37
• 3.1.2 力学参数37-38
• 3.2 机械密封端面摩擦热的计算与加载38-40
• 3.2.1 摩擦热的计算39
• 3.2.2 摩擦热的分配与加载39-40
• 3.3 液膜润滑下密封环的数值模拟40-44
• 3.3.1 机械密封环建模的假设和处理40-41
• 3.3.2 机械密封环数值模拟的步骤41
• 3.3.3 密封环材料的选择41-42
• 3.3.4 密封环建模和网格划分42-43
• 3.3.5 密封环的热边界条件43-44
• 3.4 计算结果及分析44-53
• 3.4.1 耦合场温升对比分析44-45
• 3.4.2 碳化钨与石墨密封环端面温升的理论校核45-46
• 3.4.3 碳化钨与石墨密封环的应力分布与变形分析46-49
• 3.4.4 碳化钨与碳化钨密封环的应力分布与变形分析49-53
• 3.5 小结53
• 3.6 密封环结构优化研究53-57
• 3.6.1 结构优化的原则53-54
• 3.6.2 结构优化的方法54
• 3.6.3 优化后的结果分析54-57
• 3.7 小结57-58
• 3.8 密封腔氮气压力对端面温升的影响58-60
• 3.8.1 氮气压力对主密封的影响58-60
• 3.8.2 氮气压力对副密封的影响60
• 3.9 本章小结60-62
• 第四章 机械密封的干摩擦研究62-76
• 4.1 干摩擦密封建模分析62-64
• 4.1.1 材料选择与边界条件62-63
• 4.1.2 接触热阻处理63
• 4.1.3 边界条件处理63-64
• 4.2 计算结果与分析64-69
• 4.2.1 碳化钨与石墨密封环的端面应力与位移分析65-67
• 4.2.2 碳化钨与石墨密封环端面压力与变形随介质压力变化67-69
• 4.3 干摩擦的实验研究69-70
• 4.3.1 测试系统简介69-70
• 4.3.2 实验方法70
• 4.3.3 实验现象70
• 4.4 结构优化研究70-73
• 4.5 性能优化研究73-74
• 4.6 本章小结74-76
• 第五章 结论与展望76-78
• 5.1 结论76-77
• 5.2 展望77-78
• 参考文献78-82
• 攻读硕士期间已发表的论文82-84
• 致谢84

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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本文编号：284907