摘要機(jī)械密封的端面形貌對(duì)密封性能和壽命具有顯著影響。實(shí)際密封環(huán)表面形貌主要特征表現(xiàn)為，局部具有隨機(jī)性，而整體具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律，這種規(guī)律般用租精度和相關(guān)長(zhǎng)度表征。 本文針對(duì)該問題，基于隨機(jī)過(guò)程與時(shí)間序列理論模擬機(jī)械密封端面形貌，在此基礎(chǔ)上利用有限差分法對(duì)極坐標(biāo)下的雷諾方程進(jìn)行了求解，并對(duì)端面潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值傷真。仿真結(jié)果能夠反映實(shí)際端面參數(shù)變化規(guī)律，表明隨機(jī)過(guò)程用F端面形貌模擬具有可行性，為更加準(zhǔn)確的機(jī)械密封數(shù)學(xué)模型建立提供了思路

前言

      當(dāng)機(jī)械密封動(dòng)環(huán)與靜環(huán)材質(zhì)確定，密封性能與端面形貌有著直接的關(guān)系。不同的端面形貌下，穩(wěn)態(tài)液膜的厚度和壓力分布也會(huì)隨之改變，宏觀表現(xiàn)為不同的泄漏率和摩擦扭矩，直接影響機(jī)械密封的性能和使用壽命1.2]。因此需要通過(guò)數(shù)學(xué)或?qū)嶒?yàn)的方法擬合端面形貌，進(jìn)而對(duì)實(shí)際端面穩(wěn)態(tài)進(jìn)行分析。

      機(jī)械密封端面形貌盡管局部表現(xiàn)出隨機(jī)性，但是現(xiàn)有的研究表明，在端面軸向和徑向上，粗糙表面輪廓高度和長(zhǎng)度具有統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，在該方向的研究也逐漸深入。從Heinze的理想平行端面模型到Mayer的平行粗糙端面模型，端面形貌的數(shù)學(xué)表征逐漸深化并趨向于真實(shí)情況。除了傳統(tǒng)的高度標(biāo)準(zhǔn)差等，高斯過(guò)程和分形理論等新的數(shù)學(xué)表達(dá)也應(yīng)用到機(jī)械密封上。孫見君等基于分形理論獲得的表面形貌相較于其他方法，能夠反映實(shí)際端面形貌的幾何自相似性和自放射性3]。隨著微觀表面的觀察手段的進(jìn)步，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察真實(shí)的動(dòng)靜環(huán)微觀形貌，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行分析，同樣可以獲得較為準(zhǔn)確的模型。微觀形貌的變化是端面密封性能退化的分析依據(jù)之- .利用實(shí)驗(yàn)離線測(cè)量的結(jié)果驗(yàn)證數(shù)學(xué)退化模型的正確性，成為研究機(jī)械密封的重要手段

  結(jié)合上述分析，本文在已有的研究基礎(chǔ)之上,以機(jī)載泵用機(jī)械密封為研究對(duì)象，采用隨機(jī)過(guò)程與時(shí)間序列，擬合端面三維模型。在此基礎(chǔ)上，本文利用有限差分方程對(duì)極坐標(biāo)狀態(tài)下的雷諾方程進(jìn)行求解，進(jìn)而對(duì)密封端面的流體潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真。

2機(jī)械密封結(jié)構(gòu)即參數(shù)設(shè)置

本文研究對(duì)象如圖1所示，該密封結(jié)構(gòu)主要包含五部分，依次為皮碗、保持圈、彈簧、靜環(huán)以及動(dòng)環(huán)。皮碗和保持圈限定彈簧周向移動(dòng)，保證彈簧始終平行于軸線。采用靜環(huán)補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)能夠避免預(yù)

緊件(如彈簧等)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)一步減小密封件整形貌。

3表面形貌擬合

實(shí)際密封端面微凸體高度分布一般都滿足高的尖峰，微凸體高度在0~1μm隨機(jī)分布，整體趨斯模型，其表面輪廓呈現(xiàn)指數(shù)自相關(guān)函數(shù)關(guān)系，隨勢(shì)較為緩和。該擬合結(jié)果符合實(shí)際端面形貌基本特

征，為后文潤(rùn)滑參數(shù)求解提供依據(jù)。機(jī)過(guò)程理論模型為計(jì)算機(jī)模擬粗糙表面的形貌提供

4雷諾方程求解和油膜參數(shù)方程了可能。進(jìn)而為表面形貌(如潤(rùn)滑、摩擦及磨損等)的數(shù)值分析提供數(shù)據(jù)?；诖朔N理論，本文采用了求解雷諾方程的數(shù)值方法包括有限差分法、有.種基于隨機(jī)過(guò)程與時(shí)間序列的粗糙形貌模擬方法，限體積法、邊界元法和有限元法等。其中，有限差

這種方法可以隨機(jī)模擬任意自相關(guān)函數(shù)的隨機(jī)粗糙