深海机械密封端面变形及辅助密封圈性能研究

论文摘要

深海推进器等水下作业设备具有多方面性能指标,而旋转轴密封对系统稳定性及安全性具有至关重要的作用。机械密封作为常用旋转密封的一种形式,具有密封性能稳定、寿命长等特点,随设备工作水深及航速的改变,机械密封环温度场及端面变形受水压、低温等多种因素影响,存在复杂的热-力耦合作用。此外,辅助密封圈内部应力及变形情况随工况改变而改变,密封性能受初始条件因素影响较大。本文以深海推进器等水下作业设备用机械密封为研究对象,对机械密封环温度场、端面变形规律及辅助密封圈密封性能、微动特性等进行研究,探索海洋环境下机械密封端面变形控制方法,提高密封稳定性。主要研究内容如下:（1）建立机械密封环有限元模型,对机械密封环受力状态分析;研究其端面受力变形规律及力变形后端面实际接触状态。（2）对机械密封环温度场研究,针对深海推进器等水下作业设备工作特点,研究机械密封环在不同水深、不同航速下的温度场及端面温升规律;通过整体法与分离法两种分析方法研究其端面热变形及变形后端面实际接触状态。（3）采用间接耦合分析方法对稳态工况下机械密封环端面热-力耦合变形研究,将分析结果与力变形、热变形结果比较,总结端面变形规律;采用直接耦合分析方法对瞬态工况下机械密封环温度场分布规律研究。（4）基于机械密封环温度场及端面变形的研究,提出几种结构优化方案,旨在降低端面温度,减小端面热变形及边缘应力集中。（5）对辅助密封圈进行非线性有限元分析,研究初始压缩率、材料硬度以及介质压力对密封圈密封性能的影响,并对补偿环与轴处密封圈的微动特性进行研究,研究微动对密封圈的影响。

论文目录

摘要

abstract

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 机械密封环端面变形研究

1.2.2 机械密封环温度场研究

1.2.3 机械密封环耦合场研究

1.2.4 辅助密封圈研究

1.3 本文主要研究内容

2 机械密封环端面力变形研究

2.1 模型建立与边界条件

2.1.1 机械密封主要参数

2.1.2 运行工况及密封环材料参数

2.1.3 几何模型建立与边界条件加载

2.2 端面力变形求解及后处理

2.3 不同工况下动、静环端面力变形研究

2.4 本章小结

3 机械密封环稳态温度场及端面热变形研究

3.1 传热数学模型

3.1.1 导热微分方程

3.1.2 导热微分方程边界条件

3.1.3 机械密封环稳态热传导方程

3.2 密封环传热边界条件确定

3.2.1 端面摩擦系数计算

3.2.2 运行工况及密封环材料热物理参数

3.2.3 热流密度计算

3.2.4 动、静环边界对流换热系数确定

3.2.5 机械密封动、静环热量分配

3.3 机械密封环稳态温度场研究

3.3.1 整体法温度场研究

3.3.2 分离法温度场研究

3.3.3 不同工况下端面温度研究

3.4 密封环热变形研究

3.4.1 整体法研究动、静环端面热变形

3.4.2 分离法研究动、静环端面热变形

3.5 本章小结

4 机械密封环热-力耦合变形研究

4.1 稳态热-力耦合研究

4.2 瞬态热-力耦合研究

4.3 本章小结

5 机械密封环结构优化

5.1 静环结构优化

5.2 动环结构优化

5.3 本章小结

6 辅助密封的密封性能研究

6.1 O形密封圈模型

6.1.1 数学模型

6.1.2 实体模型

6.2 计算结果与分析

6.2.1 不同压缩率下应力分布及变形

6.2.2 材料硬度对密封性能影响

6.2.3 不同介质压力对O形密封圈的影响

6.2.4 O形密封圈微动特性研究

6.3 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李龙

导师: 樊智敏

关键词: 机械密封,端面变形,热力耦合,结构优化,辅助密封

来源: 青岛科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,机械工业,船舶工业

单位: 青岛科技大学

基金: 山东省自然科学基金(ZR2018MEE014)

分类号: U664;P742;TH136

总页数: 92

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