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超高压往复动密封是高压水射流装备和其它超高压发生装置的核心。现代的高压动密封不仅要求有较高的压力生成能力,而且要有较高的密封效率、长的使用寿命和可靠的工作性能。然而,往复动密封的失效问题远没有解决,尤其在超高压下滑动副的工作条件愈发严酷,经常发生摩擦、磨损甚至咬合。本文结合自调超高压动密封的实际工况,对间隙流体润滑问题进行了理论分析和数值求解,明确了密封失效原因,提出了动密封设计的改进方案,并对新设计进行了试验研究。
本文首先对反映间隙流体润滑特性的非定常的Reynolds方程进行了推导,为研究柱塞变位倾向和分析液膜压力场分布特点提供了基本的理论支持。
为了探讨柱塞位姿对间隙润滑的影响,论文对二维Reynolds方程进行了数值求解,对漏耗特征和间隙流体压力场分布进行了研究,分析了柱塞的自对中性和扶正能力。结果表明:柱塞的偏心和倾斜都是造成系统内漏耗不容忽视的因素。在适当的偏心率下,柱塞保持一定的自扶正能力,极限偏心位置的柱塞会丧失自回复力。柱塞偏摆不仅能增加系统漏耗,而且会形成不可回复的横向侧向力,横向侧向力是导致滑动副之间摩擦、磨损甚至咬合的主要原因。
论文通过非定常Reynolds方程数值求解,对柱塞的稳定性进行了分析,获得反映液膜动态特征的刚性力矩及阻尼力矩的关系曲线,及偏心率与液膜侧向力的关系曲线,分析了柱塞微扰的变位倾向。结果表明:当柱塞受偏心微扰时,系统具有稳定性,而受倾斜微扰则是极不稳定的。柱塞一旦失稳,滑动副将由于摩擦、磨损甚至咬合最终导致密封失败。因此,保持对中性和减小液膜的侧向力是往复动密封的设计优先考虑的问题。
对自调密封增压过程进行运动学分析,研究了制约往复增压系统压力生成能力的要素。结果表明:系统的压力生成能力不仅与密封间隙有关,同时与系统的死点容积、增压速度及排液容积有关。高压下,减小死点容积是增加系统容积效率有利的手段。
建立自调密封系统的等效控制模型,并实现完全数值解。研究表明:在低压力阶段最小间隙处的暂态响应趋于振荡,产生摩擦、磨损的可能性很大。合理地调整后液阻能消除或减小摩擦、磨损。增压历程的脉动或爬行是自调密封结构本身性质决定的,改进密封结构是消除脉动或爬行的唯一途径。
利用本文的结论,提出了自调式新型超高压往复动密封的设计模型,并对原有设计方案进行了改进。试验证明:新型自调动密封是高效、全润滑的动密封系统。它能有效地抑制增压过程的不稳定性,消除密封副的摩擦、磨损及咬合,能实现超高压及至1GPa的动密封。