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传动装置动密封失效分析及试验研究

宫燃

   重载车辆传动系统使用涨圈型密封环作为动态密封装置,主要解决旋转件与固定件之间的密封问题。从实际运行情况看,密封环的使用寿命一般都达不到设计要求,出现提前失效的现象。其失效形式是密封环的密封面的严重磨损,导致密封实际接触面积减小,影响传动装置的正常运行。因此在密封环的设计和试验阶段,分析密封环失效原因,延长密封环使用寿命是传动装置设计开发过程中的重要研究课题。 结合密封环的应用条件和工作环境,研究密封环的润滑特性,通过建立油膜模型求解雷诺方程,得到油膜压力、承载力和摩擦力矩的表达式,并获得它们随密封参数和工况状态的变化规律,从流体油膜的角度来研究密封环的润滑状况。通过密封环的受力分析,比较密封开启力与闭合力的平衡关系,确定影响密封环摩擦状态的规律。同时,建立密封环泄漏模型,研究其泄漏情况。 密封环的磨损分为正常磨损与非正常磨损,根据它们的不同特点,提出采用试验分析法与理论建模法来分别研究。建立了密封环的磨损分析模型,讨论了密封环随轴转动与扰动对磨损的影响。通过磨损试验,分析密封环在不同速度、压力和油温条件下的摩擦磨损规律。利用扫描电子显微镜观察了磨损程度不同的密封环端面的表面形貌,并探讨了其磨损机理。 根据密封环、油膜和密封介质组成的传热系统,以摩擦热为热源,研究了密封环的传热特性,得到密封环导热计算的热边界条件,提出了密封端面摩擦热的计算方法,推导了密封环温度分布的计算公式,得到了密封环的温度场以及影响摩擦热和密封环传热性能的因素。模拟实际运行工况,采用热-结构耦合分析方法获得密封环在压力和摩擦热作用下的变形特征。 自主开发研制了一台高转速、高油压,适用于旋转运动用的密封性能试验台。通过试验系统可以完成静态与动态的泄漏检测,密封环的温升试验和磨损试验,具备良好的通用性和实用性。对密封环进行试验,获取其性能参数及其影响规律曲线,与理论计算进行对比论证,探讨了各环境参数对密封性能的影响。试验台的研制为失效分析、结构设计与改进及其理论验证提供了基础保证。 研究失效的评价技术指标,从压力、转速、润滑状态、摩擦热、温度分布、热变形等几个方面讨论了失效评价参数。提出以磨损为主导的失效模式,而油膜承载力与闭合力的不平衡以及摩擦热是引起摩擦机制变化,导致密封环失效的主要原因。从密封环结构参数、结构型式和工况环境参数三个方面进行优化设计,提出优化方案。基于虚拟设计思想,对优化后的密封环进行仿真计算,结果表明,经过优化设计后的密封环在抵抗磨损、降低端面温升、限制泄漏方面有很大改善。……   
[关键词]:动密封;失效分析;摩擦磨损;泄漏;温度场;优化设计
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:浙江大学2009年