激光加工多孔端面機(jī)械密封在離心泵應(yīng)用分析

    1 理論模型

圖1 LST-MS結(jié)構(gòu)和開(kāi)孔端面幾何示意圖

    圖1LST-MS的結(jié)構(gòu)和端面幾何示意圖，其中的靜環(huán)端表面上采用激光加工出球形微孔，微孔沿徑向呈放射狀分布，沿周向呈等間距對(duì)稱分布。假設(shè)密封面不直接接觸，存在一定的厚度，且液膜壓力沿液膜厚度方向不變化，密封流體為牛頓流體且粘度保持不變，忽略密封面曲率的影響，則液膜壓力分布的穩(wěn)態(tài)控制方程，即雷諾方程為：

    2 計(jì)算結(jié)果與分析

    2.1結(jié)構(gòu)/約束形式

圖2 靜環(huán)的結(jié)構(gòu)及其約束示意圖

    選擇圖2所示靜環(huán)的4種結(jié)構(gòu)來(lái)研究LST-MS的變形及其對(duì)密封性能的影響。

    結(jié)構(gòu)1-3靜環(huán)尺寸與結(jié)構(gòu)不變，僅約束和B形圈位置不同，以研究不同約束方式對(duì)密封環(huán)變形的影響，其中，圖2（a）中的B形圈位置與結(jié)構(gòu)+、"不同，圖2（b）中的“/”邊軸向受約束，圖2（C）中的5-6邊軸向受約束。

    結(jié)構(gòu)靜環(huán)截面為矩形（圖2（d），靜環(huán)背面軸向受約束，用于研究密封環(huán)結(jié)構(gòu)不同時(shí)對(duì)環(huán)變形的影響，計(jì)算時(shí)忽略O(shè)形圈以及防轉(zhuǎn)銷(xiāo)和傳動(dòng)銷(xiāo)孔的影響，彈簧力視為均布載荷，忽略重力和離心力的影響。

    2.2計(jì)算結(jié)果與分析

    規(guī)定壓縮變形為正，拉伸變形為負(fù)；動(dòng)環(huán)端面產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较蜃冃螘r(shí)轉(zhuǎn)角為負(fù)，產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较蜃冃螘r(shí)轉(zhuǎn)角為正；靜環(huán)端面轉(zhuǎn)角的正負(fù)規(guī)定與動(dòng)環(huán)相反。圖"顯示了動(dòng)環(huán)和靜環(huán)在P0=0.5MPa時(shí)的變形情況，動(dòng)、靜環(huán)在不同P0下的變形值詳見(jiàn)表1和表2?？梢钥闯觯琇ST-MS端面變形后不再為平行平面，而且微孔的動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生的壓力，使端面形成了內(nèi)凹曲面。由圖3還可以看出，具有同樣的結(jié)構(gòu)和工況參數(shù)的動(dòng)環(huán)，由于靜環(huán)結(jié)構(gòu)和約束的不同，其變形的大小也是不一樣的，而且在不同的外徑壓力下，各結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)環(huán)變形情況也是不一樣的。因?yàn)殪o環(huán)的彈性模量比動(dòng)環(huán)大，所以靜環(huán)的變形值要比動(dòng)環(huán)小。從表1和表2中可以看出，4種結(jié)構(gòu)中，與其它結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)3的動(dòng)環(huán)軸向變形值較小，但其靜環(huán)變形值卻比其它結(jié)構(gòu)的大得多，原因是結(jié)構(gòu)3中受約束的5-6邊位于內(nèi)徑處，而P0值高，這樣外徑處環(huán)的兩側(cè)所受壓力不平衡引起較大變形；同時(shí)，壓力P0形成的力矩隨著P0的增大而增大，因此結(jié)構(gòu)3的轉(zhuǎn)角也由負(fù)值變?yōu)榱苏?。從表中還可以看出，結(jié)構(gòu)2、3和4的靜環(huán)并沒(méi)有因?yàn)楸趁媸艿郊s束作用而使變形變小，而且約束的位置不一樣，變形的大小也是不一樣的。從表中還可以看出，隨壓力的增大，變形和轉(zhuǎn)角都在增大。

圖3 不同結(jié)構(gòu)/約束密封環(huán)的力變形示意圖（動(dòng)環(huán)*1000倍，靜環(huán)*10000倍）

表1 動(dòng)環(huán)端面力變形 

表2 靜環(huán)端面變形

    受端面變形的影響，LST-MS的性能參數(shù)也發(fā)生了變化，如表3所示?？梢钥闯?，考慮端面變形后，泄漏量明顯增大，雖然結(jié)構(gòu)2和4的液膜剛度有所增大，但從剛漏比的角度來(lái)考慮，考慮變形時(shí)，密封性能都在降低。綜合而言，結(jié)構(gòu)2是4種結(jié)構(gòu)中泄漏量較小但剛漏比最大的，因此，僅僅從考慮壓力變形的角度來(lái)看，擁有結(jié)構(gòu)2的LST-MS其綜合密封性能最佳。據(jù)此可知，針對(duì)不同的材料配對(duì)和結(jié)構(gòu)組合，通過(guò)選擇合適的約束對(duì)LST-MS進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高密封的工作穩(wěn)定性，延長(zhǎng)密封使用壽命，不僅必要而且可行。

表3 變形對(duì)LST-MS密封性能的影響

    3 結(jié)論
   
    （1）力變形對(duì)LST-MS密封性能具有重要影響，變形導(dǎo)致泄漏量增大、剛漏比降低，從而使密封性變差。
   
    （2）靜環(huán)的密封圈位置和背面的約束位置對(duì)動(dòng)、靜環(huán)的變形均產(chǎn)生影響；選擇合適的約束和安放輔助密封圈的位置，可以控制變形力矩，減小密封面轉(zhuǎn)角，增大密封剛漏比值，提高其穩(wěn)定性。
   
    （3）密封變形值大小與其工作性能不存在必然的對(duì)應(yīng)關(guān)系。即最小的密封環(huán)變形并不一定對(duì)應(yīng)于最優(yōu)密封性能，應(yīng)針對(duì)具體操作條件、結(jié)構(gòu)和材料配對(duì)進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。