表面粗糙度對干式氣體端面密封性能的影響

表面粗糙度對干式氣體端面密封性能的影響

在泵送期間，螺槽非接觸氣體密封段的氣膜厚度和表面粗糙度為同一級別，通常大于一個級別。因此，表面粗糙度對密封性能的影響不容忽視?，F(xiàn)在，dgs的研究假設(shè)端表面為光滑表面，因此在預(yù)測和有效控制實際密封性能方面存在不利影響。在本文中，我們提出了選擇p-dbs口的硬環(huán)表面粗糙度的定性原則，并根據(jù)美國api標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用有限元法系統(tǒng)研究了開槽硬環(huán)截面和軟環(huán)截面之間的外觀函數(shù)。本文根據(jù)美國api標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，利用有限元法體系研究了開槽硬環(huán)截面和軟環(huán)截面的外觀函數(shù)。本文提出了開槽韋氏回歸申請的理論和基礎(chǔ)。1表面粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)1978年,Patir等通過加權(quán)函數(shù)方法引入流量因子的概念,提出了PC模型.1993年,Makino等在Tripp的基礎(chǔ)上,考慮分子平均自由程對潤滑性能的影響,對PC模型進(jìn)行擴(kuò)展并用于研究可壓縮流體的潤滑性能.等溫、可壓縮流體擴(kuò)展平均雷諾方程在柱坐標(biāo)系下可表示為:1r??θ(Ψp?pθpE(h)3?p?θ)+??r(Ψp?prrpE(h)3?p?r)=6μwr?[pE(h)]?θ+6μwr?(?sσp)?θ.(1)1r??θ(Ψp?pθpE(h)3?p?θ)+??r(Ψp?prrpE(h)3?p?r)=6μwr?[pE(h)]?θ+6μwr?(?sσp)?θ.(1)式中:Ψp為稀薄因子,E()為數(shù)學(xué)期望函數(shù),?pθpθ、?prpr為壓力流量因子,?s為剪切流量因子.考慮到實際S-DGS端面須經(jīng)過精研拋光等高精加工程序,因此認(rèn)為其表面粗糙度為各向同性.為了簡化起見,這里不考慮氣體的稀薄效應(yīng),則各參量的定義式為:E(x)=∫∞-∞xf(x)dx.(3)E(x)=∫∞?∞xf(x)dx.(3)式中:σ1、σ2為硬、軟環(huán)端表面粗糙度標(biāo)準(zhǔn)偏差,σ為兩表面粗糙度的綜合標(biāo)準(zhǔn)偏差,σ=√σ21+σ22.σ=σ21+σ22??????√.定義無量綱參數(shù)為:R=r/ri,H=h/h1,P=p/pi,Λ=6μωri2/(pih12).其中,r為端面任意半徑,h為氣膜厚度,h1為非開槽處氣膜厚度,p為氣膜壓力,μ為動力粘度,ω為角速度,Λ為壓縮系數(shù).下標(biāo)i和o分別表示端面內(nèi)、外徑(見文獻(xiàn)中圖1).對式(1)進(jìn)行無量綱化得無量綱修正雷諾方程:1R??θ(?pθΡΗ3?Ρ?θ)+??R(?prRΡΗ3?Ρ?R)=ΛR??θ(ΡΗ+?sΡσh1).(7)1R??θ(?pθPH3?P?θ)+??R(?prRPH3?P?R)=ΛR??θ(PH+?sPσh1).(7)對式(7)的處理以及所采用的計算單元詳見文獻(xiàn)[3和7],求解該問題所需的邊界條件為:強(qiáng)制性邊界條件:R=1,P=1;R=Ro,P=Po.周期性邊界條件:P(θ+2π/Ng)=P(θ),其中Ng為槽數(shù).采用二維高斯積分求解單元剛度矩陣,壓力方程是一組非線性方程,采用Newton-Raphson迭代法求解得到壓力分布,并據(jù)此求得氣膜開啟力Fo、氣膜剛度Kz、泄漏量Q和摩擦扭矩W等主要密封特性參數(shù).前2個參數(shù)的計算表達(dá)式詳見文獻(xiàn),而Q和W的計算則采用不同于光滑表面的下列表達(dá)式:式中:rg為槽底半徑,Pg為槽內(nèi)無量綱壓力值.2密封軟、硬環(huán)端面表面粗糙度對s-dgs性能的影響S-DGS的尺寸及操作條件分別為:ri=30mm,rg=32mm,ro=33.6mm,槽臺寬比ξ=1,螺旋角α=10°,槽深h2=5μm,Ng=12,pi=0.1013MPa,溫度T=30℃.有關(guān)試驗結(jié)果表明,S-DGS正常工作時的氣膜厚度h1=2～5μm,不失一般性,這里假設(shè)端面非開槽區(qū)氣膜厚度h1=2.0μm,并定義膜厚比Hs=h1/σ.下面依據(jù)機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T6374-1992,針對碳化鎢和碳化硅等硬質(zhì)材料)和(JB/T8872-2002,針對石墨等軟質(zhì)材料)及美國API682標(biāo)準(zhǔn),分別研究密封軟、硬環(huán)端面表面粗糙度對S-DGS性能的影響.為了使研究結(jié)果更明了,采用粗糙面密封與光滑面密封性能參數(shù)的比值代替相應(yīng)的密封性能參數(shù).2.1表面粗糙度、密封性能與密封性能的關(guān)系依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn),綜合考慮S-DGS的密封環(huán)端表面3個區(qū)域表面粗糙度值,假設(shè)密封端面表面粗糙度范圍均為0.4～1.4μm.圖1所示為在n=3000r/min,po=2.0MPa條件下,僅考慮硬環(huán)或軟環(huán)端表面以及綜合考慮兩環(huán)端表面的表面粗糙度時,S-DGS密封性能參數(shù)比值(粗糙端面的密封性能參數(shù)與光滑端面密封性能參數(shù)的比值)隨膜厚比變化的關(guān)系曲線.可以看出,除了泄漏量以外,其他密封性能參數(shù)均隨表面粗糙度的增加而增大,且粗糙端面密封的數(shù)值均大于光滑表面.當(dāng)膜厚比Hs>3時密封性能變化趨于緩和,此時粗糙度的影響已經(jīng)很小,這一結(jié)果與軸承潤滑理論研究結(jié)果相似.同時可以看出,在σ值相同的條件下,軟環(huán)粗糙(σ2≠0)密封的開啟力、氣膜剛度和泄漏量的比值均大于硬環(huán)粗糙密封(σs≠0),當(dāng)軟環(huán)、硬環(huán)均粗糙時其密封性能參數(shù)比值介于二者之間.這是因為當(dāng)σ1=0,σ2≠0時,由式(6)得?s<0,這必將使氣膜壓力增大,同時由式(8)可知,泄漏量主要與槽底氣膜壓力的積分有關(guān),所以氣膜壓力增大將導(dǎo)致泄漏量增加;反之,σ2=0時,?s>0,使得氣膜壓力降低,泄漏量減小;另外,開槽硬環(huán)比軟環(huán)寬,運(yùn)動時開槽粗糙環(huán)比開槽光滑環(huán)更易形成連續(xù)的泄漏流,使膜厚減小,承載能力降低,因此粗糙軟環(huán)密封比粗糙硬環(huán)密封具有更好的綜合密封性能.2.2不同區(qū)域表面粗糙度影響區(qū)域的確定2.2.1槽底表面粗糙度對s-dgs密封性能的影響實際測試表明,采用常規(guī)激光加工方法在硬環(huán)上加工螺旋槽,槽底表面粗糙度σg=0.4～1.6μm,若假設(shè)除開槽區(qū)以外的其他2個區(qū)域表面光滑,也就是σ=σg,則po=1MPa時槽底面表面粗糙度對S-DGS密封性能的影響如圖2所示.可以看出,當(dāng)考慮槽底表面粗糙度時,S-DGS的氣膜剛度和摩擦功耗均比光滑面密封時大,但泄漏量較小.隨著Hs的增大或σg值減小,氣膜剛度和摩擦功耗均逐漸減小,泄漏量逐漸增大,且在Hs>3.0后,各性能參數(shù)比值變化緩慢.因此,當(dāng)Hs≤3.0或槽底面表面粗糙度σg≥0.67μm時須考慮σg值對密封性能的影響.2.2.2硬環(huán)表面粗糙度對密封性能的影響依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn),要求機(jī)械密封的硬環(huán)(如WC或SiC等)非開槽區(qū)表面粗糙度σ1=0.04～0.10μm,若視其他區(qū)域表面為光滑表面(Hs=h1/σ=h1/σ1),則σ1值對S-DGS密封性能的影響如圖3所示(po=2MPa).可以看出,S-DGS的性能參數(shù)比與Hs之間的關(guān)系類似于圖1和圖2,但比值卻接近于1.0,表明只要S-DGS的硬環(huán)端面表面加工精度滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn),則可以不考慮硬環(huán)表面粗糙度σ1對密封性能預(yù)測值的影響.2.2.3軟環(huán)表面粗糙度對s-dgs密封性能的影響依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn),機(jī)械密封軟環(huán)(如石墨)端面的表面粗糙度σ2=0.16～0.32μm.為了使研究結(jié)果更具有普適性,設(shè)σ2=0.16～0.67μm.那么,在考慮軟環(huán)表面粗糙度且視其他區(qū)域表面光滑的條件下,膜厚比對S-DGS性能參數(shù)比的影響如圖4所示(po=1MPa).可以看出,與全光滑表面密封相比,軟環(huán)表面粗糙時密封的氣膜剛度Kz和摩擦功耗W均比光滑面密封時大,而泄漏量Q較小且氣膜剛度增幅明顯.隨著σ2值的逐漸減小或Hs值的逐漸增大,Kz和W值均減小,而Q值增加,當(dāng)Hs>10時,粗糙表面密封的性能參數(shù)與光滑表面密封差別很小.因此,基于S-DGS正常運(yùn)行時的氣膜厚度值,則當(dāng)軟環(huán)表面粗糙度σ2≥0.2μm時,必須考慮軟環(huán)表面粗糙度對S-DGS密封性能的影響.2.3表面粗糙度對s-dgs幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化值的影響基于上述分析結(jié)果,在預(yù)測S-DGS的性能時,可以忽略硬環(huán)非開槽區(qū)表面粗糙度的影響,但必須考慮硬環(huán)開槽區(qū)底面和軟環(huán)表面粗糙度的影響,但是否影響實際粗糙表面S-DGS幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化值還有待于進(jìn)一步研究.為此選取槽底面和軟環(huán)端表面的3組表面粗糙度值(見表1).為了簡化起見,假設(shè)硬環(huán)非開槽區(qū)表面為光滑表面,分析表面粗糙度對S-DGS幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化值的影響,以獲得較高氣膜剛度和較低泄漏量為優(yōu)化目標(biāo).圖5所示(n=3000r/min,po=2.0MPa)為綜合表面粗糙度σ對槽長壩長比χ優(yōu)化值的影響.可以看出,σ值的變化并沒有改變χ的優(yōu)化值,在給定的標(biāo)準(zhǔn)σ值范圍內(nèi),χ的優(yōu)化值均約為0.7.結(jié)果表明,σ值的大小對χ的優(yōu)化值沒有影響.圖6所示為在不同σ值條件下,當(dāng)n=3000r/min,po=2.0MPa時密封性能與槽深h2之間的關(guān)系.可以看出,在給定工況條件下,基于上述優(yōu)化目標(biāo)的h2優(yōu)化值約為5μm,且該值并不因σ值而變化,因此槽深的優(yōu)化值也不受σ值的影響.在同樣條件下,采用同一方法分析S-DGS的其它幾個主要幾何參數(shù)(如槽數(shù)Ng、槽臺寬比ξ、螺旋角α等)的優(yōu)化值與綜合表面粗糙度σ值之間的關(guān)系,具體結(jié)果見表2.可見,S-DGS的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化值與密封端表面是否光滑或σ值的大小無關(guān).因此,在不考慮氣體稀薄效應(yīng)下,可以采用光滑表面S-DGS的計算模型對其幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計.3s-dgs的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化a.在有關(guān)機(jī)械密封的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),硬環(huán)端面非開槽區(qū)表面粗糙度對S-DGS的性能參數(shù)沒有影響,而槽底面和軟環(huán)密封端面的表面粗糙度對S-DGS的