發(fā)布時(shí)間：2019-11-22 21:06

【摘要】：為滿足車輛傳動(dòng)系統(tǒng)高pv值(壓力?線速度)的需求,表面微槽型旋轉(zhuǎn)密封由于其良好的動(dòng)壓效應(yīng)得到了一定程度的應(yīng)用。但車輛傳動(dòng)系統(tǒng)工況復(fù)雜,工作條件惡劣。針對(duì)車用實(shí)際工況,表面微槽型旋轉(zhuǎn)密封的理論工作還極其有限。本文通過理論分析、數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法,對(duì)表面微槽型旋轉(zhuǎn)密封穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)潤(rùn)滑特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。針對(duì)傳統(tǒng)液膜密封領(lǐng)域的限制與不足,構(gòu)建了旋轉(zhuǎn)密封潤(rùn)滑狀態(tài)預(yù)測(cè)模型。在考慮空化效應(yīng)的基礎(chǔ)上,建立了旋轉(zhuǎn)密封動(dòng)態(tài)特性參數(shù)模型。以穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)特性參數(shù)為目標(biāo),對(duì)旋轉(zhuǎn)密封槽型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后,建立表面微槽型旋轉(zhuǎn)密封動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)比分析優(yōu)化槽與傳統(tǒng)螺旋槽的動(dòng)力學(xué)特性,并探討蠕動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理。采用貼體坐標(biāo)變換處理表面微槽槽區(qū)邊界,應(yīng)用基于質(zhì)量守恒定律的有限體積法處理微槽邊界膜厚突變的問題,獲得微槽型流體潤(rùn)滑模型;采用統(tǒng)計(jì)接觸模型描述混合潤(rùn)滑狀態(tài)時(shí)粗糙峰接觸特性;基于旋轉(zhuǎn)密封穩(wěn)態(tài)受力平衡關(guān)系,將流體潤(rùn)滑與粗糙峰接觸模型相耦合,建立了微槽型旋轉(zhuǎn)密封潤(rùn)滑狀態(tài)預(yù)測(cè)模型。提出了“脫開轉(zhuǎn)速”的概念,作為劃分混合潤(rùn)滑狀與全油膜流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)的臨界轉(zhuǎn)速。擬合得到了脫開轉(zhuǎn)速關(guān)于工況壓力的經(jīng)驗(yàn)公式,可方便判斷實(shí)際工況下旋轉(zhuǎn)密封潤(rùn)滑狀態(tài)。針對(duì)直線槽與螺旋槽旋轉(zhuǎn)密封脫開特性進(jìn)行了參數(shù)化分析,給出了槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)選范圍。針對(duì)傳統(tǒng)Reynolds空化邊界條件不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)表面微槽型旋轉(zhuǎn)密封流體潤(rùn)滑特性的問題,建立基于質(zhì)量守恒空化邊界條件的旋轉(zhuǎn)密封空化數(shù)學(xué)模型,搭建了旋轉(zhuǎn)密封空化現(xiàn)象觀測(cè)試驗(yàn)臺(tái)。采用攝動(dòng)法建立了基于質(zhì)量守恒空化邊界條件的旋轉(zhuǎn)密封動(dòng)態(tài)特性參數(shù)分析模型,搭建了動(dòng)態(tài)剛度測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)比分析Reynolds空化邊界條件和質(zhì)量守恒空化邊界條件下動(dòng)態(tài)特性參數(shù)變化規(guī)律。研究表明,動(dòng)態(tài)剛度主要受流體動(dòng)壓效應(yīng)和空化效應(yīng)的影響;動(dòng)態(tài)阻尼不直接受流體動(dòng)壓和流體靜壓效應(yīng)的影響,主要受空化效應(yīng)的影響。為了使車用旋轉(zhuǎn)密封獲得更好的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)特性,基于微槽型旋轉(zhuǎn)密封流體潤(rùn)滑數(shù)值模型,以槽型參數(shù)為設(shè)計(jì)變量,建立了槽型優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。研究表明,優(yōu)化槽型的流體承載力與動(dòng)態(tài)剛度大大優(yōu)于初始螺旋槽的。優(yōu)化槽型具有更優(yōu)流體潤(rùn)滑特性的原因是其幾何形式能更有效地利用流體動(dòng)壓效應(yīng);槽數(shù)對(duì)優(yōu)化槽型的幾何形式有較大影響,但外徑尺寸影響不大。通過回歸分析,得到了優(yōu)化槽旋轉(zhuǎn)密封潤(rùn)滑特性參數(shù)的回歸方程。針對(duì)穩(wěn)態(tài)模型無(wú)法預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)密封在瞬態(tài)沖擊等動(dòng)態(tài)工況下的動(dòng)力學(xué)特性,建立了旋轉(zhuǎn)密封動(dòng)力學(xué)模型。對(duì)實(shí)際充油工況、壓力沖擊工況與轉(zhuǎn)速?zèng)_擊工況旋轉(zhuǎn)密封動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。然后將動(dòng)力學(xué)模型推廣到二自由度情形,分析旋轉(zhuǎn)密封的蠕動(dòng)特性。研究表明,微槽型旋轉(zhuǎn)密封有穩(wěn)定快速的瞬態(tài)響應(yīng),在實(shí)際充油工況下能很好地跟隨工作壓力的變化,在極端工況下有良好的抗沖擊能力。旋轉(zhuǎn)軸軸向振動(dòng)是密封環(huán)蠕動(dòng)產(chǎn)生的原因,優(yōu)化槽的動(dòng)態(tài)特性及蠕動(dòng)特性大大優(yōu)于傳統(tǒng)螺旋槽。
【圖文】：

北京理工大學(xué)博士學(xué)位論文此方法在 Miller 和 Green[32]、Liu 等[27]的論文里得到了應(yīng)用。利用 Kogure 分塊加權(quán)技術(shù)，根據(jù)控制體被分割的兩部分所占比均。采用分塊加權(quán)技術(shù)，解決了采用有限差分法和有限體積法重合的問題，獲得了可靠的求解結(jié)果。然而，如果槽臺(tái)邊界是臺(tái)邊界在各個(gè)控制體積的加權(quán)系數(shù)將十分麻煩，計(jì)算過程繁瑣界難以統(tǒng)一。Liu 等[27]采用貼體坐標(biāo)變換的方法對(duì)螺旋槽止推分析。經(jīng)過坐標(biāo)變換，槽臺(tái)邊界的螺旋線轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算域的直線算液膜壓力分布。他們的算法解決了螺旋線邊界求解加權(quán)系數(shù)旋線的方程來(lái)推導(dǎo)坐標(biāo)變換后的 Reynolds 方程，該方法無(wú)法推表達(dá)式的槽臺(tái)邊界曲線的情形。

Ruan[98]發(fā)展了一種考慮密封環(huán)一個(gè)軸向和兩個(gè)角度方向的運(yùn)動(dòng)及粗糙峰接觸的機(jī)械密封動(dòng)態(tài)分析模型。在啟動(dòng)和停機(jī)工況下，采用一種全局時(shí)間積分法分析螺旋槽氣體端面密封的動(dòng)態(tài)特性。綜上，在機(jī)械密封領(lǐng)域動(dòng)力學(xué)模型研究比較成熟，考慮的因素也比較多。但是旋轉(zhuǎn)密封由于其特殊的結(jié)構(gòu)形式，，在外圓面有摩擦力的存在。在動(dòng)態(tài)求解過程中，由于摩擦力為被動(dòng)力，其與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有很復(fù)雜的耦合關(guān)系，給動(dòng)力學(xué)求解帶來(lái)很大的難題。目前為止，還沒有一個(gè)能分析旋轉(zhuǎn)密封動(dòng)態(tài)工況下潤(rùn)滑特性的模型。因此，建立一個(gè)同時(shí)考慮表面微槽流體動(dòng)壓效應(yīng)、油膜擠壓效應(yīng)、空化效應(yīng)和粗糙峰接觸特性的旋轉(zhuǎn)密封動(dòng)力學(xué)模型是很有必要的。1.3 研究思路與主要研究?jī)?nèi)容本文研究的最終目標(biāo)是探索適合車用工況的旋轉(zhuǎn)密封槽型結(jié)構(gòu)，并建立動(dòng)力學(xué)模型分析其實(shí)際工況下的動(dòng)態(tài)特性，本文整體研究思路如圖 1.4 所示。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH136

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本文編號(hào)：2564644