多孔介质动静压机械密封动力学特性研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.11.009

摘要/Abstract

摘要：

将多孔介质材料与L形流体动压槽相结合，提出了一种多孔介质动静压型机械密封结构，考虑密封端面润滑液膜与多孔介质内流体的传质作用及润滑的空化作用，基于摄动法建立了机械密封的动力学特性数学模型，采用有限单元法求解微扰方程，数值研究了多孔介质动静压型机械密封的动态特性系数。研究结果表明，在多孔介质的静压效应和L形槽的动压效应的协同作用下，相较于多孔介质机械密封和部分多孔介质机械密封，多孔介质动静压机械密封具有更大的刚度系数K_zz 、K_αα 、K_ββ，增大多孔介质材料的渗透率和优化L形槽的几何参数有助于增大液膜的刚度系数K_zz 、K_αα 、K_ββ，但会以牺牲刚度系数K_αβ 、K_βα 和阻尼系数d_zz 、d_αα 、d_ββ 为代价。

关键词: 动态系数, 多孔介质, L形槽, 渗透率, 摄动法

Abstract:

A porous hydrodynamic and hydrostatic mechanical seal was proposed by combining the porous material and L grooves（PL-MS）. A dynamic mathematical model of the seal was developed based on the perturbation method， by considering the mass transfer between the fluids in porous matrix and the lubrication films between seal rings， as well as the film cavitation. The perturbed equations were solved with the finite element method and the dynamic coefficients of the porous hydrodynamic and hydrostatic mechanical seal were numerically analyzed. The results show that the PL-MS generates greater film stiffness coefficients K_zz，K_αα，K_ββ than those of the ordinary porous mechanical seals and partial distributed porous mechanical seals due to the synergism of the hydrostatic effect of porous matrix and hydrodynamic effect of L grooves. It is a good way to increase the film stiffness coefficients K_zz，K_αα，K_ββ by increasing the porous permeability and optimizing the L groove geometrical parameters at the sacrifice of the stiffness coefficients K_αβ，K_βα and damp coefficients d_zz，d_αα，d_ββ .

Key words: dynamic coefficient, porous matrix, L-groove, permeability, perturbation method

中图分类号:

TH117.2

韩丽云, 李学萍, 孟祥铠, 梁杨杨, 张力豪, 彭旭东. 多孔介质动静压机械密封动力学特性研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(11): 2544-2553.

Liyun HAN, Xueping LI, Xiangkai MENG, Yangyang LIANG, Lihao ZHANG, Xudong PENG. Study on Dynamics Characteristics of Porous Matrix Hydrodynamic and Hydrostatic Mechanical Seals[J]. China Mechanical Engineering, 2025, 36(11): 2544-2553.

导出引用管理器 EndNote|Ris|BibTeX

链接本文: https://www.cmemo.org.cn/CN/10.3969/j.issn.1004-132X.2025.11.009

https://www.cmemo.org.cn/CN/Y2025/V36/I11/2544

图/表 18

图1 几何模型

Fig.1 Geometrical model

图2 动态特性几何模型［19］

Fig.2 Geometrical model of dynamic characteristics［19］

图3 有限元网格

Fig.3 Finite element mesh

图4 网格无关性验证

Fig.4 Mesh independence validation

图5 数学模型正确性验证

Fig.5 Validation of numerical model

表1 几何参数和工况参数

Tab.1 Geometrical and operating parameters

密封面内半径r_i/mm	34
密封面外半径r_o/mm	46
L形槽槽根内半径r_n/mm	39
槽数N_b	12
多孔质基体内半径r_n/mm	39
L形槽槽根外半径r_h/mm	41
动力黏度μ/（Pa·s）	2.62×10^-3
外侧密封压力 p_s/MPa	1.2
槽深h_g/μm	8
转速n/（r·min^-1）	10 000
内压p_i/MPa	0.1
多孔介质材料厚度H/mm	5

表2 不同端面密封下密封性能和动态特性系数

Tab.2 Sealing performance and dynamic coefficients of different face seals

静动态特性系数	多孔质机械密封（PF）	部分多孔质机械密封（PPF）	多孔质动静压机械密封（PLF）
开启力F₀/N	2.779×10³	2.406×10³	2.924×10³
泄漏率q_V /（mL·h^-1）	3.047×10²	2.223×10²	7.608×10²
K_zz /（N·m^-1）	1.186×10⁸	8.767×10⁷	1.037×10⁹
K_αα /（N·m·rad^-1）	7.640×10⁴	3.554×10⁴	7.962×10⁵
K_ββ /（N·m·rad^-1）	7.631×10⁴	3.504×10⁴	7.925×10⁵
K_αβ /（N·m·rad^-1）	-1.978×10⁶	-5.084×10⁶	-3.476×10⁶
K_βα /（N·m·rad^-1）	1.978×10⁶	5.084×10⁶	3.474×10⁶
d_zz /（N·s·m^-1）	4.933×10⁶	1.222×10⁷	8.281×10⁶
d_αα /（N·m·s·rad^-1）	3.777×10³	9.710×10³	6.544×10³
d_ββ /（N·m·s·rad^-1）	3.777×10³	9.710×10³	6.544×10³

图6 不同结构的机械密封

Fig.6 Face seals with different structures

图7 不同渗透率下密封压力对动态特性系数的影响

Fig.7 Effect of seal pressure on dynamic coefficients at different permeabilities

图8 不同渗透率下转速对动态特性系数的影响

Fig.8 Effect of speed on dynamic coefficients at different permeabilities

图9 不同渗透率下初始膜厚对动态特性系数的影响

Fig.9 Effect of initial film thickness on dynamic coefficients at different permeability

图10 不同渗透率下多孔介质角度比对动态特性系数的影响

Fig.10 Effect of angle ratio of porous materials on dynamic coefficients at different permeabilities

图11 不同渗透率下多孔质材料厚度对动态特性系数的影响

Fig.11 Effect of thickness of porous material on dynamic coefficients at different permeabilities

图12 不同渗透率下槽根内半径角度比对动态特性系数的影响

Fig.12 Effect of inner radius angle ratio of groove root on dynamic coefficients at different permeabilities

图13 不同渗透率下槽外半径角度比对动态特性系数的影响

Fig.13 Effect of outer radius angle ratio of groove root on dynamic coefficients at different permeabilities

图14 不同渗透率下L形槽槽根内半径对动态特性系数的影响

Fig.14 Effect of inner radius of L groove root on dynamic coefficients at different permeabilities

图15 不同渗透率下槽根外半径对动态特性系数的影响

Fig.15 Effect of outer radius of groove root on dynamic coefficients at different permeabilities

图16 不同渗透率下槽深对密封动态系数的影响

Fig.16 Effect of groove depth on dynamic coefficients at different permeabilities

参考文献 22

[1]	于明彬，孟祥铠，白少先，等. 圆弧槽流体动压型机械密封的性能研究［J］. 润滑与密封， 2009， 34（9）： 33-35.
	YU Mingbin， MENG Xiangkai， BAI Shaoxian， et al. Study on the Performance of Hydrodynamic Mechanical Seal with Circular Groove［J］. Lubricating and Sealing， 2009， 34（9）： 33-35.
[2]	张岳林. T型槽干气密封性能分析与改型研究［D］. 杭州：浙江工业大学， 2011.
	ZHANG Yuelin. Performance Analysis and Modification of T-groove Dry Gas Seal［D］.Hangzhou： Zhejiang University of Technology， 2011
[3]	徐鲁帅，王赟磊，张帆，等. 螺旋槽机械密封瞬态启动过程润滑特性［J］. 中国机械工程， 2020， 31（16）： 1891-1900.
	XU Lushuai， WANG Yunlei， ZHANG Fan， et al. Lubrication Characteristics of Spiral Groove Mechanical Seals during Transient Start-up［J］. China Mechanical Engineering. 2020， 31（16）： 1891-1900.
[4]	耿志翔. 不同槽型气体端面密封稳态特性的有限元分析［D］. 北京：北京化工大学， 2005.
	GENG Zhixiang. Finite Element Analysis of Steady State Characteristics of Gas Face Seal with Different Groove［D］. Beijing： Beijing University of Chemical Technology， 2005
[5]	孙鑫晖，闫方琦，李振涛，等. 枞树型槽上游泵送机械密封稳态特性数值分析［J］. 润滑与密封， 2018，43（12）： 76-80.
	SUN Xinhui， YAN Fangqi， LI Zhentao， et al. Numerical Analysis of Steady-state Characteristics of Upstream Pumping Mechanical Seals with Fir Tree Grooves［J］. Lubrication and Sealing， 2018， 43（12）： 76-80.
[6]	ETSION I， MICHAEL O. Enhancing Sealing and Dynamic Performance with Partially Porous Mechanical Face Seals［J］. Tribology Transactions， 1994， 37（4）： 701-710.
[7]	孟祥铠，孟令超，马艺，等. 多孔质机械密封耦合润滑模型与密封性能分析［J］. 化工学报， 2022， 73（10）： 4576-4584.
	MENG Xiangkai， MENG Lingchao， MA Yi， et al. Coupling Lubrication Model and Sealing Performance Analysis of Porous Mechanical Seal ［J］. CIESC Journal， 2022， 73（10）： 4576-4584.
[8]	丁水汀，张向波，杜发荣，等. 石墨多孔介质气体轴承研究综述［J］. 航空学报， 2022， 43（10）： 508-525.
	DING Shuiting， ZHANG Xiangbo， DU Farong， et al. Review of Research on Graphite Porous Media Gas Bearings［J］. Aeronautical Journal， 2022， 43（10）： 508-525.
[9]	张国涛，蔡伟杰，尹延国，等. 双级孔含油轴承油压扩散与表面渗析特性分析［J］. 摩擦学学报， 2023， 43（5）： 549-560.
	ZHANG Guotao， CAI Weijie， YIN Yanguo， et al. Analysis of Oil Pressure Diffusion and Surface Dialysis Characteristics of Two-stage Hole Oil-bearing ［J］. Journal of Tribology， 2023， 43（5）： 549-560.
[10]	SHARMA S C， SINGH A. Behavior of Conical Porous Hybrid Journal Bearing with Pseudoplastic Lubricant［J］. Tribology Transactions， 2021， 64（3）： 413-433.
[11]	SHAH R C， PATEL N I， KATARIA R C. Some Porous Squeeze Film-bearings Using Ferrofluid Lubricant： a Review with Contributions［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part J： Journal of Engineering Tribology， 2016， 230（9）： 1157-1171.
[12]	张国涛，史英康，童宝宏，等. 含油轴承表面供油行为与自润滑机理分析［J］. 摩擦学学报， 2022， 42（5）： 1063-1070.
	ZHANG Guotao， SHI Yingkang， TONG Baohong， et al. Analysis of Oil Supply Behavior and Self-lubricating Mechanism of Oil Bearing Surface［J］. Journal of Tribology， 2022，42（5）： 1063-1070.
[13]	LI X， MENG X， ZHAO W， et al. Numerical Investigation on a Hybrid Porous-spiral Groove Mechanical Face Seal［J］. Tribology International， 2024， 198： 109943.
[14]	马艺，陈宇涛，孟祥铠，等. 牙轮钻头用单金属密封瞬态启动动力学模型与密封性能［J］. 中国机械工程， 2022，33（7）： 777-785.
	MA Yi， CHEN Yutao， MENG Xiangkai， et al. Transient Start-up Dynamic Model and Sealing Performance of Single Metal Seal for Roller Bit［J］. China Mechanical Engineering， 2022，33（7）： 777-785.
[15]	CUI Dapeng， YAO Yingxue， QIN Dongli. Study on the Dynamic Characteristics of a New Type Externally Pressurized Spherical Gas Bearing with Slot-orifice Double Restrictors［J］. Tribology International， 2010， 43（4）： 822-830.
[16]	陈源，彭旭东，李纪云，等. 螺旋槽结构参数对干气密封动态特性的影响研究［J］. 摩擦学学报， 2016，36（4）： 397-405.
	CHEN Yuan， PENG Xudong， LI Jiyun， et al. Study on the Influence of Spiral Groove Structure Parameters on the Dynamic Characteristics of Dry Gas Seals［J］. Journal of Tribology， 2016， 36（4）： 397-405.
[17]	孟祥铠，江莹莹，赵文静，等. 考虑空化效应的螺旋槽机械密封液膜动力学特性研究［J］. 摩擦学学报， 2019， 39（2）： 171-180.
	MENG Xiangkai， JIANG Yingying， ZHAO Wenjing， et al. Study on the Dynamic Characteristics of Liquid Film of Spiral Groove Mechanical Seal Considering Cavitation Effect［J］. Journal of Tribology， 2019， 39（2）： 171-180.
[18]	MEURISSE M L， GIUDICELLI B.A 3D Conservative Model for Self-lubricated Porous Journal Bearings in a Hydrodynamic Steady State［J］. ASME Jo-urnal of Tribology， 1999， 121（3）： 529-537.
[19]	江莹莹. 螺旋槽机械密封润滑液膜静动态特性研究［D］. 杭州：浙江工业大学， 2019.
	JIANG Yingying. Study on Static and Dynamic Characteristics of Lubricating Film of Spiral Groove Mechanical Seal［D］.Hangzhou： Zhejiang University of Technology， 2019.
[20]	GOODWIN M J， OGRODNIK P J， ROACH M P， et al. Calculation and Measurement of the Stiffness and Damping Coefficients for a Low Impedance Hydrodynamic Bearing［J］. ASME Journal of Tribology， 1997， 119（1）： 57-63.
[21]	李学萍，孟祥铠，韩丽云，等. 分部式多孔质T型槽机械密封耦合模型与性能分析［J］. 摩擦学学报（中英文）， 2025， 45（2）： 242-252.
	LI Xueping， MENG Xiangkai， HAN Liyun， et al. Coupling Model and Performance Analysis of Segmented Porous T-groove Mechanical Seal ［J］. Journal of Tribology， 2025， 45（2）： 242-252.
[22]	NISHITANI Y， YOSHIMOTO S， SOMAYA K. Numerical Investigation of Static and Dynamic Characteristics of Water Hydrostatic Porous Thrust Bearings［J］. International Journal of Automation Technology， 2011，5（6）： 773-779.