一种具有表面功能结构的接触式静密封泄漏率预测方法技术

本发明专利技术一种具有表面功能结构的接触式静密封泄漏率预测方法属于机械密封安全技术领域，涉及一种具有表面功能结构的接触式静密封泄漏率预测方法。该方法在密封副表面设计制备微槽结构改变密封副之间接触宽度，成为一种具有圆柱形表面功能结构的新型接触式静密封副。提出了密封副圆柱形表面功能结构接触压力分布模型，实现了圆柱形凸起表面各位置接触压力的求解，得到了基于表面功能结构接触压力分布的泄漏率预测模型，该方法实现了在一定工况下密封副泄漏率的预测，预测准确、全面可靠，可应用于法兰、垫片等静密封结构的设计中，能有效提升接触式静密封结构的服役性能。提升接触式静密封结构的服役性能。提升接触式静密封结构的服役性能。

【技术实现步骤摘要】
一种具有表面功能结构的接触式静密封泄漏率预测方法


[0001]本专利技术属于机械密封安全
，涉及一种具有表面功能结构的接触式静密封泄漏率预测方法。

技术介绍

[0002]法兰、垫片等接触式静密封结构具有接触表面结构简单、密封性能稳定以及成本较低的优点，广泛应用于航空航天、船舶以及石油化工等领域。然而，苛刻工况环境下密封结构极易性能失效，造成重大的安全或环保事故，如挑战者号灾难及福岛核电站泄漏等。受加工工艺及生产成本的制约，传统通过提高密封副加工表面质量的方法已难以显著提升密封性能。通过引入表面功能结构改变密封副间的接触宽度，调控其接触压力分布，或将为改善接触式静密封性能提供一种选择方案。一定工况下，圆柱体与平面间的接触相对于静密封中常见的平面与平面间的接触具有更高的接触压力，从而带来更好的密封效果。引入圆柱形表面功能结构可以将两者的优势充分结合起来，但其几何参数直接影响密封副接触状态，进而影响密封性能。
[0003]现有技术文献1“一种基于等效平行间隙的静密封漏率预测方法”，兰天等，润滑与密封，2020，45(3)：102－106，将密封接触压力引起的粗糙表面泄漏间隙变化等效为平行泄漏间隙，进而采用可压缩雷诺方程进行泄漏率的计算。但这种方法需要进行大量的实验标定，且对于不同的接触副表面形貌及接触状态不具有通用性，难以准确快速地预测密封泄漏率。技术文献2孙见君等人专利公开号CN102411669A的“一种接触式机械密封泄漏率预测方法”，基于动、静环磨损过程中密封界面形貌演变规律以及主、次密封界面接触压应力变化规律，通过逾渗理论、接触力学理论和分形理论预测接触式机械密封的泄漏状态。该方法仅能预测平面接触副泄漏状态，不能预测接触面形状尺寸发生一定变化时的密封泄漏率。因此，建立圆柱形表面功能结构的接触压力分布模型，并实现密封副泄漏率的预测是实现密封副泄漏抑制的关键环节，对提高法兰、垫片等接触式静密封结构的服役性能具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术的局限性和缺陷，专利技术了一种具有表面功能结构的接触式静密封泄漏率预测方法。该方法提出了一种具有圆柱形表面功能结构的新型接触式静密封副，基于密封副总宽度与圆柱形表面功能结构几何参数之间的关联关系，推导得到表面功能结构凸起数量的数学表达，虑及总载荷与圆柱形凸起的长度得到圆柱形凸起的单位长度载荷，判断圆柱形凸起与平面之间的接触状态并求解其接触压力分布规律，通过逾渗理论、接触力学理论求解得到达到逾渗阈值的临界放大倍数，进而得到密封界面平均间隙，结合有效介质法与流体流动性质，预测基于圆柱形表面功能结构形状尺寸及接触特点的密封副泄漏率。该方法能够预测具有表面功能结构的接触式静密封泄漏率，可应用于法兰、垫片等密封副的设计，有效提升此类接触式静密封结构的服役性能。
[0005]本专利技术采用的技术方案是一种具有表面功能结构的接触式静密封泄漏率预测方法，其特征在于，该方法通过在密封副表面设计制备微槽结构改变密封副之间接触宽度，成为一种具有圆柱形表面功能结构的新型接触式静密封副；合理规划密封副的尺寸与接触压力，有效调控其接触压力，提高接触式静密封副的密封性能；再通过密封副总宽度与圆柱形表面功能结构几何参数之间的关联关系，推导得到圆柱形凸起的单位长度载荷与接触压力分布规律，虑及逾渗理论、接触力学理论求解达到逾渗阈值的临界放大倍数，进而得到密封副界面平均间隙，结合有效介质法与流体流动性质，给出一定工况下具有圆柱形表面功能结构的密封泄漏率预测方法。
[0006]方法的具体步骤如下：
[0007]步骤1：圆柱形表面功能结构参数设计及密封副接触压力求解；
[0008]设计一种新型密封结构，通过在密封副表面设计制备微槽结构改变密封副之间接触宽度，成为一种具有圆柱形表面功能结构的新型接触式静密封副；合理地规划设计密封副的尺寸，从而有效调控其接触压力，提高接触式静密封副的密封性能；此类密封结构由具有圆柱形表面功能结构的金属密封副和平面非金属密封副组成，其中具有圆柱形凸起的金属密封副简化为圆柱形凸起与凹槽的相切连接。假设密封副总宽度为W，圆柱形凸起数量为N，相同几何参数下圆柱形凸起的最大数量为N
max
，圆柱形凸起的截面半径为R，对应凹槽部分截面半径为r，凸起与凹槽截面圆心的连线与Y轴方向的夹角为则凸起数量N与接触宽度W的关系表示为：
[0009][0010]定义凹槽与凸起的半径比为则凸起数量N为：
[0011][0012]考虑到最大凸起数量N
max
应为整数，对N
max
进行取整处理：
[0013][0014]其中，表示对N
max
向下取整。
[0015]由总载荷F与凸起数量N可得，单个圆柱形凸起对应载荷F
N
为：
[0016][0017]则单个圆柱形凸起单位长度载荷f
N
为：
[0018][0019]其中，L为密封副接触长度。
[0020]圆柱形凸起与平面之间的接触状态判定系数α为：
[0021][0022]其中，为光滑表面渗透系数，为密封副材料有效杨氏模量，E1,E2分别为密封副材料的杨氏模量，v1,v2分别为两种材料的泊松比，h
rms
为表面均方根粗糙度。
[0023]则圆柱形凸起
‑
平面接触状态由判定系数α进行判断：
[0024][0025]因此，圆柱形凸起与平面之间的接触压力P的分布规律为：
[0026][0027]式中，x为密封副截面方向上相对位置，γ≈0.4为常数。
[0028]步骤2：具有圆柱形表面功能结构的密封副界面平均间隙求解
[0029]受表面粗糙度的影响，密封界面之间并不是完全接触，而是存在非接触区域。当观察密封副接触界面时，密封副表面似乎是完全贴合的，此时对应着放大倍数ζ＝1，接触面积A(ζ)＝A(1)与名义接触面积A0相等，即A(1)＝A0；但是将密封界面放大之后，会发现密封界面之间出现空隙，且随着放大倍数ζ的增大，A(ζ)会随之减小；放大倍数增大到一定临界值ζ
c
时，密封界面会首次出现一条连通两端的微通道，此时密封副之间的界面平均间隙为随着放大倍数的进一步增大，微通道数量增多，但是密封副泄漏主要发生在最大的微通道处，因此主要研究临界放大倍数ζ＝ζ
c
。
[0030]由逾渗理论得到界面相对接触面积A(ζ)/A0＝1
‑
p
c
，其中p
c
为渗透阈值，此时密封界面刚好出现逾渗。对于四方晶格，p
c
≈0.6，则通过A(ζ)/A0≈0.4可以确定临界放大倍数ζ＝ζ
c
。
[0031]由Persson接触理论中相对接触面积与接触压力、表面质量等的关系可知：
[0032][0033]式中，erf(
…
)为误差函数，q为波矢，q0为下截止波矢，C(q)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有表面功能结构的接触式静密封泄漏率预测方法，其特征在于，该方法通过在密封副表面设计制备微槽结构改变密封副之间接触宽度，成为一种具有圆柱形表面功能结构的新型接触式静密封副；合理地规划密封副的尺寸，有效调控其接触压力，提高接触式静密封副的密封性能；再通过密封副总宽度与圆柱形表面功能结构几何参数之间的关联关系，推导得到圆柱形凸起的单位长度载荷与接触压力分布规律，虑及逾渗理论、接触力学理论求解达到逾渗阈值的临界放大倍数，进而得到密封副界面平均间隙，结合有效介质法与流体流动性质，给出一定工况下具有圆柱形表面功能结构的密封泄漏率预测方法；方法的具体步骤如下：步骤1：圆柱形表面功能结构参数设计及密封副接触压力求解；设计了一种新型密封结构，通过在密封副表面设计制备微槽结构改变密封副之间接触宽度，成为一种具有圆柱形表面功能结构的新型接触式静密封副；合理地规划设计密封副的尺寸，从而有效调控其接触压力；此类密封结构由具有圆柱形表面功能结构的金属密封副和平面非金属密封副组成，其中具有圆柱形凸起的金属密封副简化为圆柱形凸起与凹槽的相切连接；假设密封副总宽度为W，圆柱形凸起数量为N，相同几何参数下圆柱形凸起的最大数量为N
max
，圆柱形凸起的截面半径为R，对应凹槽部分截面半径为r，凸起与凹槽截面圆心的连线与Y轴方向的夹角为则凸起数量N与接触宽度W的关系表示为：定义凹槽与凸起的半径比为则凸起数量N为：考虑到最大凸起数量N
max
应为整数，对N
max
进行取整处理：其中，表示对N
max
向下取整；由总载荷F与凸起数量N得到单个圆柱形凸起对应载荷F
N
为：则单个圆柱形凸起单位长度载荷f
N
为：
其中，L为密封副接触长度；圆柱形凸起与平面之间的接触状态判定系数α为：其中，为光滑表面渗透...

【专利技术属性】
技术研发人员：马建伟，李腾龙，叶涛，曹兴坤，刘巍，贾振元，余武江，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：