螺旋槽干氣密封微尺度氣膜非線性振動(dòng)特性及試驗(yàn)研究.pdf

1、氣膜厚度影響了密封性能，氣膜厚度過大則泄漏超標(biāo)，反之，則容易發(fā)生碰摩而引起失效，因此，工程應(yīng)用中一般將其控制在一定范圍內(nèi)（2-6μm）。本文對螺旋槽干氣密封微尺度氣膜非線性振動(dòng)特性理論方面的研究和相應(yīng)的試驗(yàn)研究包括以下三個(gè)方面:螺旋槽干氣密封氣膜平衡位移建模、計(jì)算與相應(yīng)的試驗(yàn)分析;螺旋槽干氣密封氣氣膜剛度建模、計(jì)算與相應(yīng)的試驗(yàn)分析;螺旋槽干氣密封在無阻尼氣膜-密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)下軸向振動(dòng)進(jìn)行了建模、計(jì)算與相應(yīng)的試驗(yàn)分析。
　　

2、根據(jù)微尺度流體流動(dòng)規(guī)律，建立氣膜平衡位移的數(shù)學(xué)模型，解得氣膜平衡位移近似解析式。通過控制不同工況（轉(zhuǎn)速、介質(zhì)壓力），利用Maple程序求解了氣膜平衡位移近似解析式獲得了在不同工況的下氣膜平衡位移理論值，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，從而驗(yàn)證了理論的正確性，進(jìn)而用此理論來計(jì)算不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下的氣膜平衡位移值，并分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)（螺旋角、槽深）對氣膜厚度的影響。這為螺旋槽干氣密封氣膜平衡位移的理論計(jì)算提供了可靠的理論依據(jù)。當(dāng)轉(zhuǎn)速nr=3000rpm，介質(zhì)

3、壓力范圍為0.2-0.6 MPa，得到氣膜平衡位移值為2-3μm，且氣膜平衡位移隨介質(zhì)壓力的增大而增大;當(dāng)介質(zhì)力0.4 MPa，轉(zhuǎn)速nr=500-2500rpm，得到氣膜平衡位移值為1.4-2.8μm，且氣膜平衡位移隨轉(zhuǎn)速的增加而增大。在驗(yàn)證了上述理論的正確性后，利用該理論，在特定工況下，對不同螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)下的平衡位移進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行相應(yīng)的分析:選擇螺旋角范圍在14°-16°內(nèi)，可控制氣膜氣膜平衡位移在2.75-4μm內(nèi);選擇螺旋槽槽

4、深范圍在6-14μm內(nèi)，可控制氣膜平衡位移在2-5μm內(nèi)，為此，可用該理論來指導(dǎo)工程實(shí)踐。
　　 螺旋槽干氣密封在不同工況（轉(zhuǎn)速、介質(zhì)壓力）下運(yùn)行時(shí)，氣膜剛度對其密封性能影響體現(xiàn)在氣膜推力隨氣膜厚度的變化率，當(dāng)氣膜剛度數(shù)值越大，氣膜間隙間動(dòng)壓效果越好，干氣密封運(yùn)行越穩(wěn)定?；谖⒊叨攘黧w流動(dòng)規(guī)律，建立了干氣密封螺旋槽內(nèi)微尺度氣膜的數(shù)學(xué)模型，求得氣膜剛度的近似解析式。利用Maple程序計(jì)算其數(shù)學(xué)模型，得到氣膜剛度、氣膜厚度和不同工況

5、（轉(zhuǎn)速、介質(zhì)壓力）間的兩組三維關(guān)系，在此基礎(chǔ)上得到不同氣膜厚度和工況（轉(zhuǎn)速、介質(zhì)壓力）下的氣膜剛度數(shù)值，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，且兩者誤差較小;利用該Maple程序計(jì)算得到螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)螺旋角、槽深比和氣膜剛度間的三維關(guān)系，對螺旋角進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。結(jié)果表明:隨著氣膜厚度的增加;理論氣膜剛度數(shù)值比試驗(yàn)氣膜剛度數(shù)值略小，這是由于計(jì)算誤差和試驗(yàn)中干擾誤差所造成，為優(yōu)化槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)提供準(zhǔn)確理論基礎(chǔ);螺旋角對氣膜剛度的影響較為敏感，選擇不同螺旋角

6、可控制氣膜剛度數(shù)值，本例中選擇螺旋角范圍為14°-19°，當(dāng)螺旋角取14.9°時(shí)，氣膜剛度取得最大值;隨著槽深比的增大，氣膜剛度隨之增大，且呈非線性關(guān)系。在工程運(yùn)用中，利用該程序優(yōu)化槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)，達(dá)到控制氣膜剛度的目的。
　　 根據(jù)螺旋槽干氣密封動(dòng)靜環(huán)振動(dòng)特性，在忽略阻尼作用條件下，建立了螺旋槽干氣密封無阻尼氣膜-密封環(huán)雙自由度系統(tǒng)軸向振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型和相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并利用待定系數(shù)法求解，獲得了在諧波激勵(lì)下的動(dòng)靜環(huán)振幅解析式。