【正文】 不同工作壓力下的功耗數(shù)值壓力MPa實(shí)測(cè)扭矩N這一類儀器一般包括微積分電路、放大器、檢波器和表頭。采用位移傳感器測(cè)試需根據(jù)氣膜厚度，常用的位移傳感器主要有：電感式位移傳感器、電渦流位移傳感器、電容式位移傳感器、光柵式位移傳感器、激光式位移傳感器。I．J．Billington用不同直徑測(cè)壓孔進(jìn)行比較，得到的結(jié)論是：對(duì)于層流流動(dòng)，開(kāi)孔尺寸的影響可以忽略；而對(duì)于紊流流動(dòng)，影響則相當(dāng)顯著。本試驗(yàn)裝置采用傳遞法即在電機(jī)與主軸之間安裝了二個(gè)相互垂直的JDN—（電阻應(yīng)變片），可將0～25Nm的扭矩量轉(zhuǎn)換成0～。 端面摩擦功耗的測(cè)量技術(shù)機(jī)械密封功耗的測(cè)量有三種方法[47]。應(yīng)用軟件采用圖形化編程語(yǔ)言—G語(yǔ)言即LabVIEW編程語(yǔ)言[43]。當(dāng)然也包括少量的儀器硬件（例如數(shù)據(jù)采集硬件）以及將計(jì)算機(jī)與儀器硬件相連的總線結(jié)構(gòu)等[4041]。槽深 槽深比 密封面平衡比（面積比）B=（Dg2－DB2）/（D g2－D 12）= 樣機(jī)零部件攝影圖。 干氣密封試驗(yàn)裝置成都一通密封有限公司的試驗(yàn)臺(tái)采用了單懸臂支撐方式結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)件裝拆方便；軸承采用了航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速軸承，使結(jié)構(gòu)緊湊，承載力大，工作可靠；主軸的精心設(shè)計(jì)和制造，達(dá)到優(yōu)良的動(dòng)平衡水平；主軸的調(diào)速采用目前世界上先進(jìn)的交流變頻調(diào)速技術(shù)，調(diào)速性能優(yōu)良，功能強(qiáng)，工作可靠；測(cè)試手段齊全，安全保護(hù)性能好。 本章小結(jié)1）在特定工況下對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到了當(dāng)螺旋角a75176。43′4″時(shí)，λ1，2=1為相等的負(fù)數(shù)，平衡點(diǎn)為臨界結(jié)點(diǎn)。i為純虛數(shù)，解的曲線是極限環(huán)，發(fā)生Hopf分岔。=2時(shí)，計(jì)算得對(duì)應(yīng)螺旋角a=74176。16′9″時(shí)，系統(tǒng)有混沌現(xiàn)象發(fā)生，當(dāng)螺旋角a==74176。41′34″時(shí)，為不等的負(fù)數(shù)，平衡點(diǎn)為穩(wěn)定的結(jié)點(diǎn)。＜2時(shí)，代入文獻(xiàn)[36]的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算對(duì)應(yīng)螺旋角74176。 本章小結(jié)為保證干氣密封運(yùn)行的可靠性，應(yīng)保持氣膜平衡間隙尺度的不變性，為此通過(guò)雙自由度軸向振動(dòng)的追隨性優(yōu)化實(shí)現(xiàn)這一目的。 變結(jié)構(gòu)參數(shù)靜環(huán)振動(dòng)追隨性分析將幾何參數(shù)變化如下：螺旋角a =75176。s,槽深2E=5μm，密封間隙（氣膜厚度）d=，靜環(huán)質(zhì)量m=102kg，動(dòng)環(huán)振幅b=10μm。2）對(duì)變工況的分析表明：隨著介質(zhì)壓力和工作轉(zhuǎn)速的增大，氣膜阻尼系數(shù)在增大，穩(wěn)定性在提高，但最佳螺旋角基本不變。從圖可知，隨著nr的增大，c180。可以看出c隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，穩(wěn)定性也在相應(yīng)的提高，但螺旋角基本不變，仍為a=74176。46′7″時(shí)，角向阻尼系數(shù)c180。隨著a的增大，c成非線性的變化且先增大后減小。 同理由微擾動(dòng)態(tài)壓力的復(fù)數(shù)虛部Im{K}=η（η1sinω+η2cosω）推得無(wú)量綱軸向氣膜阻尼系數(shù)的計(jì)算式為： （） 角向阻尼系數(shù)的數(shù)學(xué)模型由微擾動(dòng)態(tài)壓力的復(fù)數(shù)實(shí)部Re{K}=η（η1cosω+η2sinω）得到無(wú)量綱角向氣膜剛度的計(jì)算式為（）。5）綜合造價(jià)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低因?yàn)闅庠春涂刂葡到y(tǒng)比較簡(jiǎn)單，投資費(fèi)用約為油膜密封的2/3，運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)工作量小。5）槽長(zhǎng)壩長(zhǎng)比λ2槽長(zhǎng)壩長(zhǎng)比是指槽的徑向長(zhǎng)度同密封面徑向長(zhǎng)度之比。2）槽數(shù)n隨著螺旋槽槽數(shù)的增加，干氣密封的氣膜剛度、剛漏比、氣膜承載能力均有所提高。表 為 O 形圈的選擇示例。 動(dòng)、靜環(huán)配對(duì)材料材料組合靜環(huán)動(dòng)環(huán)優(yōu)缺點(diǎn)軟/硬浸銻石墨WCCO抗沖擊性強(qiáng)、硬度略低軟/硬浸銻石墨WCNi抗腐蝕性強(qiáng)、硬度略低軟/硬浸銻石墨SiC抗腐蝕性強(qiáng)、比較脆隨著工業(yè)的發(fā)展，機(jī)械設(shè)備的性能要求越來(lái)越高，工況條件可能是高壓、高速、高溫等，而密封介質(zhì)又可能具有強(qiáng)腐蝕性或者含有磨料顆粒等，在這些情況下，WC硬質(zhì)合金就不是理想的密封材料了。盡管如此，高硬度的WC材質(zhì)或碳化硅材料還是具有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)，并被許多大的密封廠家所采用。由以上的受力分析可知，螺旋槽干氣密封系統(tǒng)具有自我調(diào)節(jié)的能力，這種自我調(diào)節(jié)的結(jié)果使得動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間能自動(dòng)形成一個(gè)穩(wěn)定的帶壓剛性氣膜，起到密封作用，并且保證動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間非接觸、無(wú)磨損，從而使密封具有較長(zhǎng)的工作壽命。此時(shí)開(kāi)啟力小于閉合力，靜環(huán)端面和動(dòng)環(huán)端面貼合，起到靜態(tài)密封作用。當(dāng)壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，具有撓性支承的靜環(huán)將從動(dòng)環(huán)表面被推開(kāi)，這樣密封面之間始終保持一層極薄的氣膜，所形成的氣膜一方面能有效地使端面分開(kāi)，保持非接觸，另一方面又使相對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)的兩端面得到冷卻。靜環(huán)一般用較軟的，有自潤(rùn)滑作用的材料，在彈簧等載荷的作用下，可沿軸向自由移動(dòng)。測(cè)試了泄漏量、功耗和氣膜軸向剛度，給出了氣體端面密封試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，并與理論計(jì)算近似值比較，進(jìn)行誤差分析?？梢?jiàn)通過(guò)選擇合理的追隨性系數(shù)可以控制氣膜的穩(wěn)定性，為干氣密封動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。已焊接金屬波紋管替代彈簧作為彈性元件，由于波紋管具有輔助密封作用，這樣不但省掉了橡膠制作的動(dòng)環(huán)輔助密封圈，而且具有較好的軸向浮動(dòng)性，提高了密封性能。如何采取有效的措施減少泄漏量是干氣密封的一個(gè)研究方向。新材料的研制開(kāi)發(fā)?？紤]耦合傳熱、變形等因素，對(duì)氣體膜內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行分析，建立比較實(shí)用的干氣密封設(shè)計(jì)模型，提出相關(guān)的理論和相應(yīng)的改型措施是當(dāng)前需要深入進(jìn)行的重要方面。填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)離心式壓縮機(jī)用干氣密封的空白。如河南中原、遼寧錦西、內(nèi)蒙化肥廠、重慶建峰化肥裝置中的CO2壓縮機(jī)組高壓缸就采用了John Crane的28AT型單端面干氣密封。2002年，林培峰對(duì)螺旋槽氣體端面密封氣膜間的壓力場(chǎng)分布進(jìn)行了有限元分析并開(kāi)發(fā)了專門(mén)的有限元軟件，得到了螺旋槽氣體端面的氣膜壓力場(chǎng)，并且討論了密封的幾何參數(shù)和工作參數(shù)對(duì)壓力場(chǎng)的影響[22]。通過(guò)實(shí)踐證明，干氣密封具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。除了離心式壓縮機(jī)用干氣密封，John Crane公司還推出了泵用干氣密封系列和反應(yīng)釜和攪拌器用干氣密封系列。該公司從20世紀(jì)70年代初期開(kāi)始，陸續(xù)推出其適用于離心壓縮機(jī)的28型系列干氣密封。1979年Ralph “Fundamentals of Spiral Groove Noncontacting Face Seals”[11]。Wipple和Muuijderman的方法，只研究了層流、穩(wěn)流的流體流動(dòng)規(guī)律。顯然，間隙微小變化極有可能導(dǎo)致動(dòng)靜密封環(huán)間的干摩擦或泄漏量增大，因而保證氣膜穩(wěn)定性是干氣密封可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。 Stability。關(guān)鍵詞：螺旋槽；干氣密封；阻尼系數(shù)；Maple程序；追隨性；非線性；穩(wěn)定性；分岔；試驗(yàn)研究AbstractThe stability on a system of spiral grooved gas seal is closely related to its dynamical characteristic, and hence its dynamical characteristic has been the domestic and foreign research area. The paper takes spiral groove dry gas seal as research project，dynamical model on two degree of freedom system of gas film and seal ring subjected to axial vibration was established, and the axial vibration equation was solved by using the Maple program , then the static ring followingup ring39。在無(wú)外激勵(lì)情況下，通過(guò)求Floquet指數(shù)討論了系統(tǒng)分岔問(wèn)題，分析了螺旋角對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，給出了使干氣密封系統(tǒng)穩(wěn)定的螺旋角范圍，并求得在特例下螺旋角α=75176。本文以螺旋槽干氣密封為研究對(duì)象，建立了軸向振動(dòng)下氣膜密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，利用Maple程序求解了軸向振動(dòng)方程，對(duì)靜環(huán)追隨動(dòng)環(huán)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上利用特例計(jì)算并擬合非線性氣膜動(dòng)態(tài)參數(shù)，得到了一個(gè)非線性受迫振動(dòng)微分方程，分析了螺旋角對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“√”）作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。同時(shí)授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到《中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向社會(huì)公眾提供信息服務(wù)。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。但隨著結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，臨界條件發(fā)生了改變。完成了氣體端面密封試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)、測(cè)試系統(tǒng)的硬件配置。 Maple program。近年來(lái)，隨著密封技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，出現(xiàn)了一種稱之為干式氣體密封[1]（Dry Running Gas Seal）的新型軸封，解決了多年來(lái)機(jī)械密封一直不能干運(yùn)轉(zhuǎn)的難題。上世紀(jì)四十年代，Wipple對(duì)螺旋槽主推軸承的理論進(jìn)行了探討，提出了壓力線性分布假設(shè)，研究了等間距排列的平面平行槽與平板間的流體流動(dòng)，發(fā)展了Wipple 軸承理論[4]。從20世紀(jì)50年代到70年代初，可認(rèn)為是處于流體動(dòng)壓型機(jī)械密封機(jī)理探索和研究階段，這為隨后的工業(yè)應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。端面槽形從僅能單向旋轉(zhuǎn)的螺旋形發(fā)展到具有反轉(zhuǎn)特性的單向螺旋形，以及能雙向旋轉(zhuǎn)的組合螺旋燕尾槽。單端面型主要用于輸送空氣、氮?dú)夂投趸嫉燃词褂猩倭繗怏w泄漏到大氣中也沒(méi)有危害的場(chǎng)合。Burgmane公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了CGS泵用干氣密封、AGS反應(yīng)釜、攪拌器用干氣密封以及DGS壓縮機(jī)用干氣密封。1995年，彭建等也采用八結(jié)點(diǎn)有限單元法計(jì)算了螺旋槽出氣體密封的壓力，并進(jìn)行了部分參數(shù)優(yōu)化[19]。上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械工程學(xué)院的王彤博士將微尺度效應(yīng)理論應(yīng)用于螺旋槽干氣密封的流動(dòng)中，在工程熱物理學(xué)報(bào)上發(fā)表了《微尺度效應(yīng)對(duì)螺旋槽干氣密封的影響》的論文。19921994年，國(guó)內(nèi)一些機(jī)械密封生產(chǎn)廠家開(kāi)始試制干氣密封產(chǎn)品，并通過(guò)上機(jī)試驗(yàn)合格后投放市場(chǎng)并獲得成功。 發(fā)展趨勢(shì)干氣密封技術(shù)雖然已經(jīng)被廣泛應(yīng)用且應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，但對(duì)干氣密封理論的研究、認(rèn)識(shí)和應(yīng)用還有待于進(jìn)一步的加深。密封的壓力、溫度會(huì)對(duì)密封性能產(chǎn)生直接的影響，造成密封泄漏，特別是我國(guó)石油化工工業(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)周期將延長(zhǎng)，迫切要求開(kāi)展這方面的研究，以便測(cè)量和記錄現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作條件，并由此確定對(duì)密封性能的影響。 2）理論計(jì)算方面通過(guò)對(duì)各種干氣密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元理論分析，從分析結(jié)果對(duì)比可知，有限元法更為準(zhǔn)確、更接近實(shí)際。密封面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)密封的穩(wěn)定性及可靠性有很大的影響，密封面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題應(yīng)成為研究的重點(diǎn)。本文建立了軸向振動(dòng)下氣膜密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，利用Maple程序求解了軸向振動(dòng)方程，獲得了在不同追隨性系數(shù)下的靜環(huán)時(shí)間歷程圖。改變工況討論系統(tǒng)分岔問(wèn)題，得到了系統(tǒng)分岔時(shí)的螺旋角數(shù)值，結(jié)果表明其螺旋角數(shù)值基本不變，說(shuō)明改變工況其分岔點(diǎn)位置不變，其結(jié)果為干氣密封的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。相應(yīng)解決的關(guān)鍵性問(wèn)題如下：1）求解氣膜阻尼系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式；2）軸向振動(dòng)下氣膜密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的建立；3）基于非線性振動(dòng)理論，對(duì)螺旋槽干氣密封氣膜動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的計(jì)算。 泵入型螺旋槽，緩沖氣體（可以是經(jīng)過(guò)濾后的壓縮機(jī)出口氣、氮?dú)饣蚨栊詺怏w）注入到密封裝置，動(dòng)、靜環(huán)在流體靜壓力和彈簧力的作用下保持貼合，起到密封的作用。一個(gè)是使密封面閉合的力 FC，它由彈簧力和靜環(huán)后面被密封介質(zhì)壓力 p1以及背壓 p2引起的力組成。 正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)氣膜的壓力分布3）當(dāng)受到外來(lái)干擾時(shí)，可能導(dǎo)致密封面之間的間隙改變。當(dāng)干氣密封端面關(guān)閉時(shí)，密封端產(chǎn)生干摩擦，造成表面受到熱處理，從而很容易出現(xiàn)裂紋和裂紋擴(kuò)散和傳播，造成干氣密封失效。 端面材料的物理特性材料密度導(dǎo)熱系數(shù)熱膨脹系數(shù)彈性模量抗壓強(qiáng)度硬度洛氏A浸Sb 石墨2～420～4050020SiC124501034140TiC30737990092WCNi186600110089WCCO20400～530100090Si3N44220～320120085動(dòng)環(huán)材料一般選擇碳化鎢或碳化硅，其優(yōu)點(diǎn)是變形小、導(dǎo)熱系數(shù)高、自潤(rùn)滑性能好和硬度高。對(duì)于輔助密封最重要的特性是溫度極限，擠壓特性和壓力相關(guān)的氣吸現(xiàn)象。1）螺旋角β螺旋角定義為曲線上任一點(diǎn)處的切線與過(guò)極點(diǎn)的射線的交角。4）槽臺(tái)寬比λ1槽臺(tái)寬比是指同一圓周上槽的寬度與整個(gè)槽臺(tái)寬度之比，它的大小反映了螺旋槽寬度的大小。2）壽命長(zhǎng)為非接觸式密封（密封面之間的間隙大約為3～5μm），因此，正常工作時(shí)沒(méi)有端面磨損，壽命長(zhǎng)。通過(guò)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析，獲得了穩(wěn)定性最佳的螺旋角，為動(dòng)態(tài)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。 軸向阻尼系數(shù)通過(guò)Maple對(duì)式（）進(jìn)行積分運(yùn)算，得到了軸向阻尼系數(shù)c與螺旋角a、。 軸向阻尼系數(shù)與螺旋角、槽深比的關(guān)系曲面 ca關(guān)系曲線 cη關(guān)系曲線 角向阻尼系數(shù)通過(guò)Maple[37]對(duì)式（）進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得角向阻尼系數(shù)c180。從圖中可知，隨著po的增大，c增大其變化幅度越大且穩(wěn)定性較好，但螺旋角幾乎沒(méi)什么變化，仍為a=74176。46′7″。