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全断面岩石隧道掘进机是集机械、激光、电子、液压、传感器、信息技术为一体的高度机械化和自动化的大型工程机械。油封是全断面岩石隧道掘进机主轴的关键部件之一,其密封性能直接影响了全断面岩石隧道掘进机主轴的寿命以及全断面岩石隧道掘进机的工作效率。
在综合国内外已有的相关文献资料的基础上,本文通过理论分析和数值模拟对油封的密封机理和静动态密封性能进行了系统的研究。研究的主要内容和结果如下:
1)首先分析了油封的基本性能要求以及油封材料的力学特性;然后基于密封结构,结合油封的材料特性,对油封的静态密封机理和动态密封机理进行了分析,为进一步开展油封密封性能的研究提供理论依据。最后总结了影响油封密封性能的一些主要因素。
2)基于有限元分析法,建立了油封非线性结构的有限元模型,研究了油封在不同初始过盈量和工作油压下静态密封性能的变化规律。研究结果表明:对所研究的隧道掘进机主轴密封系统,油封与轴之间的最大接触应力始终大于工作油压,具备自密封特性;油封与轴的接触应力呈分段线性分布,最大接触应力几乎处于接触宽度的中间,影响油封的吸油能力,不利于油封的密封;适当减小油封初始过盈量有利于减少密封处主轴的磨损、提高油封的使用寿命。
3)基于油封泵吸理论中的结构效应,建立了油封与轴之间流场的CFD模型,研究了油封的结构参数对油封动态密封性能的影响。研究结果表明:油封的密封动态性能存在最佳状态,在主轴低转速阶段,适当提高旋转轴的转速有利于油封的动态密封性能,但当主轴转速达到最佳值时,主轴转速的增加,将导致油封动态密封性能下降;减小油封与旋转轴的接触宽度,有利于油封的动态密封性能;适当增大油封贮油侧与空气侧唇角的差值,有利于油封的动态密封性能。
4)根据油封的静态密封机理和动态密封机理,设计了检测油封静态密封性能和动态密封性能的实验方案,为检测油封密封性能的试验提供了一些理论上的指导。
本文主要对油封的静态密封性能和动态密封性能进行了理论分析和模拟研究,研究结果丰富了油封的设计理论和应用技术,为油封的设计和油封密封技术的应用提供了有力的技术支撑。