本發(fā)明屬于機(jī)械工程領(lǐng)域、流體密封技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于槽底微造型設(shè)計(jì)的干氣密封開槽方法及其裝置。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著工業(yè)的高速發(fā)展以及人們對(duì)環(huán)境要求的提高，促使石油、石化等相關(guān)過(guò)程工業(yè)向無(wú)污染、長(zhǎng)周期、低能耗、高效益的方向發(fā)展，而此類工業(yè)的密封流體大多具有易燃、易爆、劇毒、污染嚴(yán)重等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的機(jī)械密封難以滿足設(shè)備的密封要求。而干氣密封技術(shù)的突出特點(diǎn)在于通過(guò)很薄的壓力氣膜實(shí)現(xiàn)密封界面的非接觸和小間隙運(yùn)行，由此所表現(xiàn)出的優(yōu)越的防泄漏特性和長(zhǎng)壽命、低維護(hù)特性，已使其成為先進(jìn)密封技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。

在國(guó)外，無(wú)論低壓、低速、高壓、高速等各種工況干氣密封都占有重要地位。在國(guó)內(nèi)，干氣密封引入較晚，與國(guó)外也存在很大的差距，但目前越來(lái)越多的科研人員正投身于這類密封設(shè)備的研發(fā)上。干氣密封與普通機(jī)械密封在結(jié)構(gòu)方面的主要區(qū)別在于其動(dòng)環(huán)或靜環(huán)端面上加工有深度一般為3～10μm的各種槽型，通過(guò)流體動(dòng)壓力使密封端面分離。因而，干氣密封的核心技術(shù)在體現(xiàn)在其微米級(jí)槽深的動(dòng)壓產(chǎn)生機(jī)理及槽型的設(shè)計(jì)與加工方面。

在啟動(dòng)或停車期間，干氣密封的端面氣膜厚度與表面粗糙度為同一數(shù)量級(jí)，正常運(yùn)行時(shí)也僅高出1個(gè)數(shù)量級(jí)，因此表面粗糙度尤其是尺寸相對(duì)較大的槽底粗糙度對(duì)密封性能的影響不容忽視。但由于槽底加工技術(shù)高、精度較難保證，使得不合適的槽底粗糙度甚至平面度嚴(yán)重影響槽型實(shí)際使用效果。

因此，為發(fā)揮干氣密封的最大優(yōu)勢(shì)，在強(qiáng)調(diào)零泄漏、低磨損、低能耗性能外，很有必要針對(duì)其槽底的微觀效應(yīng)和合理開槽方法進(jìn)行研究。

為解決干氣密封端面粗糙度問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在動(dòng)、靜環(huán)端面接觸模型方面開展了大量的研究，試圖從理論上揭示表面粗糙度對(duì)密封性能的影響機(jī)制及解決辦法。1978年，patir等提出“平均流動(dòng)模型”的概念，用來(lái)研究等溫條件下不可壓縮液體在三維粗糙表面間隙中的部分流體潤(rùn)滑問(wèn)題，通過(guò)引入流量因子來(lái)描述表面粗糙度對(duì)間隙流量的影響，建立了pc模型，為人們研究表面粗糙度的潤(rùn)滑效應(yīng)提供了重要手段；之后elrod、tripp、tonder、hu、makino等都對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行了進(jìn)一步研究和完善；2004年，wang等采用平均流動(dòng)模型和快速傅里葉變換求解了液體油膜與粗糙峰接觸的壓力分布。針對(duì)可壓縮氣體，大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任曉和吳承偉等基于液體平均流動(dòng)模型的基本思想，推導(dǎo)出了可壓縮氣體靜密封的平均流動(dòng)方程并進(jìn)行了相應(yīng)泄漏量計(jì)算，通過(guò)對(duì)氣體在接觸間隙流動(dòng)的數(shù)值模擬，分析了表面粗糙度紋理方向、方均根等粗糙表面表征參數(shù)在名義氣體膜厚變化時(shí)對(duì)氣體泄漏量和密封壓力的影響，并給出了粗糙表面形貌參數(shù)和密封壓力與氣體密封性能之間的關(guān)系?？蓧嚎s氣體靜密封平均流動(dòng)方程的建立，為研究可壓縮氣體動(dòng)密封提供了良好的借鑒和基礎(chǔ)。

關(guān)于表面粗糙度對(duì)干氣密封性能的影響，國(guó)內(nèi)相關(guān)課題組針對(duì)干氣密封做了很多開創(chuàng)性的工作：彭旭東課題組基于求解可壓縮流平均雷諾方程，研究了不同速度條件下干氣密封端面不同區(qū)域的各向同性表面粗糙度對(duì)密封氣膜剛度和泄漏量的影響，提出端面不同區(qū)域(槽區(qū)和非槽區(qū))的表面粗糙度對(duì)密封性能影響規(guī)律各不相同，并指出轉(zhuǎn)速在期間的影響不可忽視；并通過(guò)進(jìn)一步的研究，系統(tǒng)分析了軟環(huán)端表面、硬環(huán)端面開槽底面與非開槽表面粗糙度對(duì)螺旋槽干氣密封性能影響，結(jié)果表明：一定條件下，粗糙表面密封開啟力、氣膜剛度和摩擦扭矩均大于光滑表面，且泄漏量較小，在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，硬環(huán)非開槽表面粗糙度對(duì)密封性能參數(shù)預(yù)測(cè)值的影響較硬環(huán)開槽底面和軟環(huán)端面粗糙度可以忽略，同時(shí)還證明了表面粗糙度對(duì)于螺旋槽干氣密封端面幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)選值沒(méi)有影響；近期，其課題組人員還針對(duì)符合高斯分布的粗糙表面上的滑移流效應(yīng)一階滑移模型進(jìn)行了修正，研究闡述了滑移現(xiàn)象的產(chǎn)生與氣體分子平均自由程、粗糙度的關(guān)系。宋鵬云課題組近年針對(duì)干氣密封實(shí)際氣體效應(yīng)、滑移流效應(yīng)及內(nèi)部流場(chǎng)規(guī)律研究較深入，針對(duì)低速工況下端面粗糙度對(duì)干氣密封性能的影響問(wèn)題指出：在特定膜厚條件下，當(dāng)膜厚與粗糙度均方根的比值大于3～4時(shí)，表面粗糙度對(duì)密封性能的影響可以忽略不計(jì)；在較大粗糙度下，雖然密封開啟力、氣膜剛度隨轉(zhuǎn)速增加而顯著提高，但同時(shí)泄漏量也明顯加大，因此隨著轉(zhuǎn)速增加，較大粗糙度對(duì)干氣密封低速運(yùn)轉(zhuǎn)性能是有害的。

對(duì)于粗糙度數(shù)值構(gòu)型的研究，在20世紀(jì)70年代以后，sayles、thomas、majumdar等發(fā)現(xiàn)加工表面形貌具有分形特性，隨后將分形理論用在表面形貌表征的研究中，對(duì)工程金屬表面形貌進(jìn)行分形模擬。這些研究表明，將基于分形理論的粗糙表面形貌研究描述中采用了較多分形尺度參數(shù)，這些參數(shù)的非直觀性大大降低了模型的實(shí)用性。張起生等利用指數(shù)自相關(guān)函數(shù)和數(shù)字濾波技術(shù)建立了二維粗糙度表面統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律數(shù)值模型，對(duì)比發(fā)現(xiàn)拋光花崗巖表面粗糙度符合gauss分布規(guī)律。任曉等也通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬具有任意形狀自相關(guān)函數(shù)的隨機(jī)粗糙表面，并用matlab對(duì)生成的二維泄漏通道進(jìn)行流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算，最后得出表面粗糙度特征對(duì)氣體壓力流量因子的影響。孫見君和魏龍等則分別介紹和研究機(jī)械密封粗糙表面的接觸模型，并建立了與時(shí)間相關(guān)、基于分形參數(shù)的平行端面接觸式機(jī)械密封泄漏模型。呂祥奎等基于gauss分布函數(shù)和指數(shù)自相關(guān)函數(shù)關(guān)系建立了三維粗糙表面的數(shù)學(xué)模型，獲得了密封面的數(shù)值粗糙表面并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，該工作實(shí)現(xiàn)了靜接觸密封結(jié)構(gòu)泄漏特性定量評(píng)估的數(shù)值分析方法，對(duì)干氣密封結(jié)構(gòu)的高精度設(shè)計(jì)同樣具有指導(dǎo)意義。相比基于粗糙表面分形研究的方法，基于分布函數(shù)的粗糙表面構(gòu)型方法具有參數(shù)簡(jiǎn)單、可測(cè)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工程實(shí)踐中更為實(shí)用。

有關(guān)干氣密封槽底的設(shè)計(jì)研究，宋文博等將等深螺旋槽改進(jìn)成各種收斂型不等深螺旋槽并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明收斂型階梯不等深螺旋槽干氣密封的密封性能最優(yōu)越,控制泄漏量方面更為突出。張?jiān)懒值忍岢鲆环N變深t型槽干氣密封端面結(jié)構(gòu)，通過(guò)與普通等深結(jié)構(gòu)對(duì)比，證明在低速低壓或高速高壓條件下變深結(jié)構(gòu)有更好的氣膜承載能力和穩(wěn)定性。劉坤等通過(guò)對(duì)雁形槽干氣密封進(jìn)行變深研究也證明了一定的槽底變深結(jié)構(gòu)可提高端面間氣膜承載能力和穩(wěn)定性，可提高干氣密封的開啟性能。以上研究表明，干氣密封槽底造型的針對(duì)性研究對(duì)密封性能的提高具有直接意義。slawomir和andriy通過(guò)對(duì)干氣密封微槽道、微孔隙及表面紋理的改變，并通過(guò)數(shù)值分析了此類變化對(duì)密封介質(zhì)層的動(dòng)態(tài)屬性的變化，指出合理的設(shè)計(jì)和表面形貌的選擇有助于干氣密封穩(wěn)定性的提高。但通過(guò)該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)及專利情況檢索，目前尚未涉及干氣密封槽底界面有序設(shè)計(jì)下的微觀效應(yīng)研究及其對(duì)密封開槽技術(shù)的指導(dǎo)建議，使得干氣密封微間隙密封的理論研究與實(shí)際應(yīng)用之間仍存很大差距，這是干氣密封工業(yè)應(yīng)用中亟需解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了實(shí)現(xiàn)干氣密封槽底有序造型微觀效應(yīng)的目的，同時(shí)針對(duì)目前干氣密封粗糙度模型中存在的不足做出改進(jìn)，提出一種基于槽底微造型設(shè)計(jì)的干氣密封開槽方法。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于槽底微造型設(shè)計(jì)的干氣密封開槽方法，其特征在于：包括ar型二維數(shù)字濾波技術(shù)，所述步驟如下：

步驟一：基于高斯分布和線性自相關(guān)函數(shù)的粗糙表面方法，采用ar型二維數(shù)字濾波技術(shù)；

步驟二：建立模擬槽底界面粗糙度微觀隨機(jī)特點(diǎn)模型；

步驟三：基于步驟二中模型生成具有相應(yīng)隨機(jī)特征的自相關(guān)函數(shù)粗糙表面3d模型并建立函數(shù)關(guān)系，所述粗糙表面自相關(guān)函數(shù)如下：

r(τx,τy)＝σ²exp{-2.3[(τx/βx)²+(τy/βy)²]^1/2}

其中σ為表面均方根粗糙度，τx、τy分別為x、y方向上的時(shí)間間隔，βx、βy分別為x、y方向上的相關(guān)長(zhǎng)度，當(dāng)βx＝βy時(shí)表面為各向同性，當(dāng)βx≠βy時(shí)表面為各向異性；

步驟四：定義λr＝βx/βy為粗糙度紋理方向參數(shù)，λr＝1時(shí)為各向同性表面，通過(guò)調(diào)節(jié)βx和βy的長(zhǎng)度比即可改變?chǔ)藃值，從而可以模擬具有一定紋理特征的各向異性表面。

步驟五：基于步驟四，改變?chǔ)藃值，當(dāng)λr>1時(shí)，生成的表面具有橫向紋理特征，而且λr值越大，橫向紋理越明顯。反之，λr<1時(shí)，可以生成具有縱向紋理特征的表面，λr趨近于零的時(shí)候，出現(xiàn)明顯的縱向條紋。

步驟六：根據(jù)干氣密封槽底流場(chǎng)分布規(guī)律，建立各類槽型；

步驟七：基于槽型，定義λg為槽型流場(chǎng)方向參數(shù)，規(guī)定λg趨近于零時(shí)表征與造型流線相切時(shí)的方向，規(guī)定λg＝1時(shí)為造型流線與流場(chǎng)流線夾角為α＝45度方向，規(guī)定λg＝λr-max時(shí)為造型流線與流場(chǎng)流線垂直方向；通過(guò)調(diào)節(jié)造型流線與流場(chǎng)流線夾角α即可改變?chǔ)薵值，從而可以與λr對(duì)應(yīng)表征具有一定紋理特征的各向異性表面；

步驟八：基于可壓縮氣體平均流動(dòng)方程，結(jié)合數(shù)值化粗糙3d模型，采用matlab編程，計(jì)算出粗糙表面間隙氣體流動(dòng)的流量因子及其與紋理方向的關(guān)系；計(jì)算密封動(dòng)壓及泄漏率特性參數(shù)，得出表面粗糙形貌特征與特性參數(shù)之間的關(guān)系。

進(jìn)一步的，所述槽型包括螺旋槽型、t型槽型和圓弧槽型。

進(jìn)一步的，所述步驟八中的采用采用有限體積法求解。

進(jìn)一步的，所述流量因子包括壓力流量因子φx、φy及剪切流量因子φs。

進(jìn)一步的，所述計(jì)算機(jī)模擬表面的特點(diǎn)是每次產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)據(jù)不同，計(jì)算結(jié)果具有隨機(jī)性，所以單個(gè)表面需要經(jīng)過(guò)多次計(jì)算取平均值。

一種基于槽底微造型設(shè)計(jì)的干氣密封開槽裝置，包括殼體和軸，其特征在于：所述軸外圈設(shè)有軸套，所述軸套外設(shè)有靜環(huán)座，所述靜環(huán)座與殼體連接，所述靜環(huán)座與軸套之間設(shè)有靜環(huán)和防轉(zhuǎn)銷，所述靜環(huán)左側(cè)設(shè)有動(dòng)環(huán)，所述防轉(zhuǎn)銷右側(cè)設(shè)有彈簧；所述靜環(huán)座與殼體之間設(shè)有殼體用o型密封圈；所述動(dòng)環(huán)與軸套之間設(shè)有動(dòng)環(huán)o型圈。

進(jìn)一步的，所述靜環(huán)座與靜環(huán)直接設(shè)有靜環(huán)用o型圈。

進(jìn)一步的，所述軸套上設(shè)有緊定螺釘。

進(jìn)一步的，所述軸套與殼體之間為密封腔體。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明建立相對(duì)合理和完善的槽底界面粗糙度模型，闡釋合理的粗糙度造型設(shè)計(jì)對(duì)密封性能改善及降低開槽技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)制和機(jī)理，最終實(shí)現(xiàn)基于干氣密封槽底粗糙度微觀效應(yīng)的有序造型設(shè)計(jì)方法，提高干氣密封的性能、簡(jiǎn)化開槽技術(shù)方法。

可以解決干氣密封槽型加工時(shí)必須考慮粗糙度及平面度精度的問(wèn)題，降低加工要求和加工成本，簡(jiǎn)化加工方法和步驟，優(yōu)化槽型結(jié)構(gòu)，利于干氣密封的進(jìn)一步工業(yè)應(yīng)用。

本發(fā)明依據(jù)干氣密封具體槽型的流場(chǎng)特點(diǎn)，以提高密封槽型動(dòng)壓為目標(biāo)，設(shè)計(jì)相關(guān)槽底微結(jié)構(gòu)。對(duì)于提高槽型密封性能、減少泄漏、降低開槽技術(shù)要求、降低槽型加工成本效果顯著。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明槽底粗糙面模擬模型。

圖2為本發(fā)明指數(shù)型自相關(guān)函數(shù)粗糙面三維輪廓圖(βx＝βy)。

圖3為本發(fā)明整個(gè)密封面微造型流場(chǎng)示意圖。

圖4為本發(fā)明樹形槽型密封面的局部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為本發(fā)明螺旋槽型密封面的局部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為本發(fā)明t型槽型密封面的局部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為本發(fā)明圓弧槽型密封面的局部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8為槽型流場(chǎng)方向參數(shù)設(shè)定方法。

圖9為微造型導(dǎo)流方向λm和微造型保壓方向λn示意圖。

圖10為裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明：

如圖1-8所示，一種基于槽底微造型設(shè)計(jì)的干氣密封開槽方法，其特征在于：包括ar型二維數(shù)字濾波技術(shù)，所述步驟如下：

步驟一：基于高斯分布和線性自相關(guān)函數(shù)的粗糙表面方法，采用ar型二維數(shù)字濾波技術(shù)；

步驟二：建立模擬槽底界面粗糙度微觀隨機(jī)特點(diǎn)模型(如圖1所示)；

步驟三：基于步驟二中模型生成具有相應(yīng)隨機(jī)特征的自相關(guān)函數(shù)粗糙表面3d模型(如圖2所示)并建立函數(shù)關(guān)系，所述粗糙表面自相關(guān)函數(shù)如下：

r(τx，τy)＝σ²exp{-2.3[(τx/βx)²+(τy/βy)²]^1/2}

其中σ為表面均方根粗糙度，τx、τy分別為x、y方向上的時(shí)間間隔，βx、βy分別為x、y方向上的相關(guān)長(zhǎng)度，當(dāng)βx＝βy時(shí)表面為各向同性，當(dāng)βx≠βy時(shí)表面為各向異性；

步驟四：定義λr＝βx/βy為粗糙度紋理方向參數(shù)，λr＝1時(shí)為各向同性表面，通過(guò)調(diào)節(jié)βx和βy的長(zhǎng)度比即可改變?chǔ)藃值，從而可以模擬具有一定紋理特征的各向異性表面。

步驟五：基于步驟四，改變?chǔ)藃值，當(dāng)λr>1時(shí)，生成的表面具有橫向紋理特征，而且λr值越大，橫向紋理越明顯。反之，λr<1時(shí)，可以生成具有縱向紋理特征的表面，λr趨近于零的時(shí)候，出現(xiàn)明顯的縱向條紋。

步驟六：根據(jù)干氣密封槽底流場(chǎng)分布規(guī)律，建立各類槽型；

步驟七：基于槽型，定義λg為槽型流場(chǎng)方向參數(shù)，規(guī)定λg趨近于零時(shí)表征與造型流線相切時(shí)的方向，規(guī)定λg＝1時(shí)為造型流線與流場(chǎng)流線夾角為α＝45度方向，規(guī)定λg＝λr-max時(shí)為造型流線與流場(chǎng)流線垂直方向；通過(guò)調(diào)節(jié)造型流線與流場(chǎng)流線夾角α即可改變?chǔ)薵值，從而可以與λr對(duì)應(yīng)表征具有一定紋理特征的各向異性表面(如圖6所示)；

步驟八：基于可壓縮氣體平均流動(dòng)方程，結(jié)合數(shù)值化粗糙3d模型，采用matlab編程，計(jì)算出粗糙表面間隙氣體流動(dòng)的流量因子及其與紋理方向的關(guān)系；計(jì)算密封動(dòng)壓及泄漏率特性參數(shù)，得出表面粗糙形貌特征與特性參數(shù)之間的關(guān)系。

微造型具體幾何參數(shù)設(shè)計(jì)可參照得出流場(chǎng)方向參數(shù)λg：微造型導(dǎo)流方向λm與λg＝0時(shí)一致，微造型保壓方向λn與λg＝λr-max時(shí)一致(如圖9所示)，即：λm即為微造型加工時(shí)引導(dǎo)流體更順利進(jìn)入流槽的方向，λn即為在流體順利進(jìn)入流槽后使流體在流槽中更好形成動(dòng)壓時(shí)的微造型加工時(shí)方向。這兩個(gè)參數(shù)的得出即可確定如何設(shè)計(jì)微造型，也就是開槽方法確定了。

如圖10所述，一種基于槽底微造型設(shè)計(jì)的干氣密封開槽裝置，包括殼體1和軸8，其特征在于：所述軸8外圈設(shè)有軸套6，所述軸套6外設(shè)有靜環(huán)座3，所述靜環(huán)座3與殼體1連接，所述靜環(huán)座3與軸套6之間設(shè)有靜環(huán)9和防轉(zhuǎn)銷4，所述靜環(huán)9左側(cè)設(shè)有動(dòng)環(huán)12，所述防轉(zhuǎn)銷4右側(cè)設(shè)有彈簧5；所述靜環(huán)座3與殼體1之間設(shè)有殼體用o型密封圈；所述動(dòng)環(huán)12與軸套6之間設(shè)有動(dòng)環(huán)o型圈。

所述靜環(huán)座3與靜環(huán)9直接設(shè)有靜環(huán)用o型圈10。

所述軸套6上設(shè)有緊定螺釘。

所述軸套與殼體1之間為密封腔體13。

如圖3-8所示，所述槽型包括螺旋槽型、t型槽型和圓弧槽型。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。