一种高性能铁磁流体密封系统的实验研究

一种高性能的铁磁流体密封系统,采用钕铁硼(NdFeB)永磁体作为磁场源,密封介质则使用北京航空航天大学研制的BH-1铁磁流体。实验结果表明,对于每边磁极靴上具有一道密封级的结构,可以提供120～180kPa的耐压能力;而每边具有两道密封级,则可以达到225～370kPa。并且实验预示这种系统的密封耐压能力还有进一步提高的潜力。     

径向圆柱型气体螺旋槽密封的理论与实验研究

 采用坐标变换的方法对圆柱型气体螺旋槽密封的控制方程进行理论计算.对复杂形状求解域构筑了非矩形网格,再通过坐标变换形成规则的矩形网格.这种数值计算方法可在改变结构参数时,避免重新划分网格.分析了影响密封性能的主要设计参数如螺旋角α,槽数n等对密封压力的影响规律,得出了优化结果.设计了实验台,进行了大量实验验证.实验值与理论计算值吻合较好.最后,给出了该种密封型式的主要设计参数选取范围.     

端柱面组合密封气膜稳态特性数值仿真分析

针对航空发动机等高速流体机械中流体动密封部位的工况特点,提出一种新型的端柱面组合气膜密封形式.根据气膜密封的结构特点,建立了端柱面螺旋槽组合式密封气膜的数学分析模型.采用CFD分析软件Fluent对气膜三维流场模型以湍流流动形式进行数值模拟计算.研究了密封气膜几何结构参数变化对密封稳态特性（端面承载力F_d 、柱面承载力F_c 、泄漏量Q、摩擦转矩M）的影响.几何结构参数包括端面平均膜厚、端面槽深比、柱面平均膜厚、柱面偏心率、柱面槽深比、柱面槽宽比.      

空间在轨流体输运双槽道微重力实验装置

空间在轨流体输运双槽道微重力实验装置通过在微重力环境下对开口槽道中的流动进行观察,可以分析研究微重力下流体输运的稳定特性.双槽道形式的实验装置在单次实验中可同时对两种不同截面,不同流量的槽道流动进行观测,同时可有效提升落塔实验效率,减少不同槽道对比实验中的不确定因素.针对双槽道流体实验装置设计的关键问题,例如密封、压力补偿、设备布局等,提出了实验装置的系统结构及落塔实验步骤.在落塔短时微重力环境中,采用氟化液（HFE7500）流体介质,利用本实验装置成功观测到槽道流体输运流动与失稳现象.      

铁磁流体润滑的轴颈轴承研究

对一种铁磁流体润滑的三垫浅腔轴颈轴承进行了研究。轴承两端具有铁磁流体密封。三块瓦中有一块是可变形的弹性瓦。使用Reynolds方程和弹性瓦变形的关系式,得到了轴承的理论特性。对理论计算和实验结果作了比较,两者令人满意地符合。研究结果表明,铁磁流体轴承比普通滑动轴承具有一些优点。它们在运转中没有端泄和不需要任何供应系统,所以它们与滚动轴承一样地简单。可以变形的弹性瓦使得轴承具有更好的性能并且拓宽了它的工业应用。     

铁磁流体润滑中的非牛顿流影响

利用外加磁场可以直接调节铁磁流体润滑膜的承载能力,因为在外磁场中铁磁流体的粘度增大. 实验研究表明,铁磁流体是一种非牛顿流体,它同时表现出Bingham塑性体和拟塑性体的特性. 铁磁流体的非牛顿流体行为受外磁场强度和方向的影响. 铁磁流体的本构方程可以表示为 τ(H,D)=τs(H)+η₁(H)D+η₂(H)D2.由于铁磁流体具有屈服剪应力τs(H),而可能出现"固态"核粘附于轴承表面上.铁磁流体的拟塑性体行为对核的生成条件有影响.在铁磁流体润滑的轴承中,纯剪切流截面C₀不同于普通Bingham塑性体润滑的轴承.作为一个实际的例子而给出铁磁流体润滑平板滑块的承载能力和摩擦力的解.      

高速转轴的磁流体密封流场分析

在高速转轴磁流体密封流场分析中,由于楔隙内速度线性假设法不能满足流体运动Navier-Stokes方程,给动密封的分析带来了计算误差,为此提出了流体边界速度线性假设和延伸控制体法两种对速度不同的求解方法.在磁场法分析的基础上,通过数值方法对Navier-Stokes方程进行求解,弥补了楔隙内速度线性假设法的缺陷.分析计算结果表明,在低转速下,3种方法的计算结果非常接近;在高转速下,楔隙内速度线性假设法计算结果偏高,而两种新算法的结果仍保持一致.      

转速对铁磁流体动密封能力影响的实验研究

对密封环齿面角度为３０°、４５°、６０°的六组试件进行了转速对密封耐压能力影响的实验研究，实验结果表明，对于每边轴套磁极上具有一道密封环的结构，在零转速时，可提供１６０￣１８５ｋＰａ的耐压能力；在旋转轴圆周速率为２７ｍ／ｓ时，可提供１２０￣１５０ｋＰａ的耐压能力。     

电摩擦效应的机理研究

边界润滑状态时铁磁流体的摩擦系数在直流电场作用下发生有规律的变化.本文根据直流电流产生的电场和磁场对边界润滑状态下铁磁流体摩擦力的不同作用,提出了电场控制摩擦系数的作用机理,进行了测量摩擦副间法向相对微小位移的实验.测量结果验证了机理分析的正确性.      

均匀磁场中铁磁流体润滑的平板滑块的性能

计算结果表明,铁磁流体润滑的平板滑块的性能与牛顿流体或Bingham塑料润滑的平板的性能显著不同.屈服应力引起粘附核的发生,并且增加滑块的承载能力.在低速润滑中,高磁场强度对承载能力是有好处的,因为它可以提高铁磁流体的粘度和在润滑膜中引起粘附核.当出现粘附核时,铁磁流体润滑的平板滑块的最佳膜厚比的值大于2.2,并随外磁场强度增加而增大.在高速润滑中,可能没有粘附核出现,在此情况下,为了得到最大承载能力而采用膜厚比的值为2.2是可取的.在高磁场强度或高剪切速率下,铁磁流体润滑的平板滑块的摩擦系数增大.      

高速气膜镶装式浮环密封的开启特性

针对应用于航空发动机的高速气膜镶装式浮环密封, 探究密封在不同结构参数、启动方式、材料结合等多因素下的开启性能。建立镶装环-石墨环-跑道的固体域模型和气膜流体域模型, 得到了工作气膜厚度、气膜流场压力分布;计算密封受力, 得到了密封上浮力、闭合力和开启转速等密封开启性能参数。分析镶装环与石墨环的厚度比和宽度比、镶装环-石墨环配对材料、镶装环-跑道配对材料等因素对密封开启转速的影响。搭建浮环密封试验台和浮环位移监测系统, 通过试验验证了数值模拟结果。研究结果表明:浮环的镶装结构能有效改善升温时石墨环与跑道间隙减小而导致密封失效的问题;镶装环材料是影响密封开启性能的敏感参数, 密封开启性能随材料线膨胀系数的升高而快速降低;镶装环与跑道的材料配对情况是影响密封开启性能的重要因素, 镶装环与跑道材料相同时, 石墨环与跑道处于“恒间隙”状态, 在复杂温度工况下密封的开启性能更加稳定;不同的工作机组启动方式对密封开启性能影响较大, 发动机采用将转速增加至工况转速再增压的启动方式时密封开启性能最好;浮环密封在高转速、高压力工况下因转速、压力变化产生的密封扰动值更大, 浮环密封应避免在较高压力和转速下长时间调节工况参数。研究结果为航空发动机镶装式浮环密封的结构设计、材料选用、系统设计的研究提供了参考。      

丁腈橡胶磨损失效机制及其表面碳薄膜改性技术

针对航天伺服机构密封件因磨损失效导致的泄漏难题,分析了大气及氮气环境下丁腈橡胶磨损失效机制。在此基础上,提出了丁晴橡胶表面硬质类金刚石碳薄膜(DLC)改性技术,并分析了改性后丁腈橡胶密封实件的综合性能。结果表明：大气环境、恒定载荷(小载低速)条件下,丁腈橡胶主要以分层剥落方式磨损(疲劳磨损)。随着摩擦速度(或载荷)的增大,其磨损失效主要表现为黏着磨损。对于氮气环境,氮气能够有效避免摩擦界面氧化作用,即降低了黏着磨损效应;此外,改性后橡胶密封实件在机械性能、质密性和密封性等方面较原始密封件未发生明显变化。经过4000次台架磨合试验后,油端密封圈表面光洁,无异常磨损;气端密封圈表面存在轻微磨损,能够满足使用要求。     

用于篦齿封严装置的减振阻尼环设计理论

运用弹性力学和接触力学的有关理论研究了用于篦齿封严装置减振的阻尼环设计方法.采用动柔度法求解了安装有阻尼环的篦齿封严装置的动力响应.分析了阻尼环尺寸和接触压力等参数对篦齿封严装置动力响应的影响规律:在篦齿封严装置和阻尼环的组合结构中,存在最佳的阻尼环结构参数,此时阻尼环减振效果最佳;对组合结构不同的周波型振动,阻尼环的减振效果不同.      

叶片式液压摆动马达的非线性泄漏分析

摆叶马达是一种高精度的液压执行机构,内部密封结构较复杂.针对摆叶马达的密封结构特性,分析了它的泄漏组成,提出了它的非线性泄漏计算模型,并得出影响泄漏的关键因素和减小泄漏需采取的措施.在工程实际中,摆叶马达存在密封失效的问题,通过理论分析得出了密封失效的原因在于轴肩密封,轴肩密封中O形圈的预压缩量决定了密封失效的临界压力.摆叶马达泄漏量的增大不仅仅与密封压力和速度有关,而且与马达叶片转角也有关系,它的非线性模型也为液压伺服系统提供了理论依据.     

刷密封刷丝力学行为与密封性能

创建开发刷密封分析设计软件,模拟刷密封压力场与流场,研究刷丝动力学行为,如径向压紧等,与密封区域压场和流场相互作用,对密封性能产生影响.基于梁弯曲理论和刷丝区域压力分布,采用有限元法计算轴向与周向刷丝变形,并将相关计算结果与实验数据进行了对比,分析表明刷封出口区域在径向和轴向同时形成较大的压力梯度,使间隙趋于闭合并将丝间压紧,密封工作状态或间隙变化不大时,可保持稳定的密封性能.      

高速干摩擦机械密封的端面变形及摩擦磨损

针对机械密封在高速干摩擦状态下,因设计不当产生端面过度变形和磨损而引起的密封失效问题,建立了热-结构耦合数值计算模型,分析了密封的温度场和端面变形。试验测试了静环温升,分析了动静环端面特征,探讨了高速干摩擦状态下的磨损机制。研究结果表明：建立的有限元模型能准确地预测密封的温度和端面变形,计算值和试验值相差小于11%;密封端面峰值温度对转速更敏感,随着运转时间的延长,温度先迅速增加后逐渐变缓;静环易产生锥度变形,造成端面接触压力和磨损不均匀,静环座的“匡正”作用能够改善这类变形;摩擦转移膜的存在状态对密封的温升、端面粗糙度起关键作用,动环表面喷涂Cr₂O₃等金属氧化物,能较好地保持致密的石墨转移膜,减轻密封的磨损。研究结果为机械密封的设计、优化和应用提供了基础。