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加氢进料泵机械密封研究

作　者: 张宝君
导　师: 杨林
学　校: 大连工业大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 机械密封高压有限元力—热载荷耦合变形
分类号: TH136
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

机械密封是流体机械设备中的关键部件。随着石化大型设备的不断涌现,其设备的参数不断提高,机械密封所面临的应用工况也越来越苛刻。尤其重载条件下的高压机械密封经常出现局部过热、磨损过大、寿命过短等现象,这样就很难满足于石油化工过程中的连续运转要求,因此需要一套科学系统的理论分析工具。本文基于有限元理论方法,综合国内外相关研究成果,建立力—热载荷耦合分析模型,对机械密封进行理论分析阐述。以工程应用的加氢进料泵机械密封为切入点,以案例分析的方式,分析了机械密封在各场中的变形,研究了摩擦副端面的变形协调技术。并且将其应用于加氢进料泵机械密封研究分析上,对其结构做了优化调整,从而解决实际工况问题。在第二章中对机械密封的结构进行了讲解,对基本理论进行了阐述和机械密封相关的参数研究都做了基本的描述；在第三章中对机械密封的静态力载荷结构分析,通过对机械密封整体分析,获得摩擦副在力载荷下的一些变形原则,密封端面在受压力时的变形时,形成发散的锥度。进而分析其影响因素,掌握调整方法,从而进行调整,降低其变形量及应力；第四章是对机械密封进行了热载荷分析,同样进行了获得了摩擦副在温度载荷影响下的变形原则,为后续做耦合分析提供给了理论依据；在力载荷—热载荷耦合分析时,将机械密封作为整体进行直接耦合,获得其最终变形原则；第五章是对机械密封摩擦端面的受力进行了阐述,这样就较全面的完成了机械密封的摩擦副分析；通过将密封端面间隙分类进行判断其适用性,再根据变形协调技术进行优化调整,获得极佳的机械密封摩擦副结构。在考虑整套机械密封装置的过程中,不仅仅要考虑摩擦副的性能,本文进一步考虑了其余相关金属部件的影响因素。对相关金属部件应用有限元的方法进行分析计算,获得应变与应力的数据,进而应用相关原则进行判定。从材料的角度阐述了如何进行调整优化,用以满足机械密封整体性能要求。本文从机械密封装置的整体出发,不仅仅考虑摩擦副,还对其它影响因素进行考虑,不孤立任何一个影响因素,由于机械密封在正常工况下运转时,表征了一个系统的运行状态。本文研究的结果为机械密封的装置设计、制造、使用和维修提供理论依据。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-9
第一章绪论  9-15
  1.1 加氢进料泵用机械密封  9-10
    1.1.1 加氢进料泵简述  9-10
    1.1.2 加氢减料泵机械密封简述  10
  1.2 机械密封研究概况及发展趋势  10-13
    1.2.1 国内外机械密封研究概况  10-12
    1.2.2 目前机械密封发展趋势  12-13
  1.3 研究的目的及意义  13
  1.4 本论文研究的主要内容、关键技术处理方法  13-15
第二章机械密封的基本原理  15-18
  2.1 机械密封的基本结构、作用原理和特点  15-16
  2.2 机械密封的主要参数  16-18
    2.2.1 机械密封的力学参数  16-17
    2.2.2 机械密封性能参数  17-18
第三章机械密封摩擦副的力学分析  18-30
  3.1 摩擦副力学分析基本理论  18-23
    3.1.1 平面问题的弹性力学基本方程  18-20
    3.1.2 轴对称三角形单元的有限元离散  20-23
  3.2 摩擦副的受力分析  23-29
    3.2.1 摩擦副模型建立及边界条件处理  23-25
      3.2.1.1 机械密封装置的工况参数  23-24
      3.2.1.2 摩擦副的几何尺寸  24
      3.2.1.3 摩擦副的材料选择  24-25
    3.2.2 摩擦副力学分析  25-29
      3.2.2.1 加载边界条件  25-26
      3.2.2.2 计算分析结果  26-29
  3.3 本章小结  29-30
第四章机械密封摩擦副的力—热耦合稳态分析  30-37
  4.1 摩擦副稳态热分析基本理论  30-34
    4.1.1 温度场计算微分方程  30-31
    4.1.2 摩擦副的温度场有限元法变分运算  31-33
    4.1.3 关于温度场计算的矩阵方程扩充  33-34
  4.2 摩擦副的力-稳态热耦合基本理论  34-36
    4.2.1 耦合类型的选择  34-35
    4.2.2 力—稳态热分析的矩阵方程  35-36
  4.3 本章小结  36-37
第五章机械密封摩擦副的端面摩擦热分析  37-44
  5.1 摩擦热载荷的计算  37
  5.2 对流换热系数的计算  37-39
    5.2.1 动环内外侧边界对流换热系数计算  38
    5.2.2 静环内外侧边界对流换热系数计算  38-39
  5.3 机械密封摩擦副的计算结果及综合分析  39-41
    5.3.1 摩擦副的耦合分析及变形计算  39-40
    5.3.2 摩擦副的端面应力分析  40-41
  5.4 其他参数计算结果及分析  41-43
    5.4.1 摩擦系数  41-42
    5.4.2 摩擦功率  42-43
  5.5 本章小结  43-44
第六章加氢进料泵机械密封设计研究  44-58
  6.1 加氢进料泵用机械密封基本结构  44-45
    6.1.1 机械密封设计参数  45
    6.1.2 机械密封方案特点  45
  6.2 机械密封摩擦副的结构设计  45-52
    6.2.1 几种不同膜压分布  46
    6.2.2 机械密封摩擦副的结构分析  46-52
      6.2.2.1 Case 1结构设计  46-48
      6.2.2.2 Case 2结构设计  48-51
      6.2.2.3 Case 1与Case 2的对比分析  51-52
  6.3 机械密封装置的机械结构优化  52-56
    6.3.1 承压部件的优化设计  52-54
    6.3.2 其它部件计算分析  54-56
  6.4 本章小结  56-58
第七章结论与展望  58-60
  7.1 结论  58
  7.2 展望  58-60
参考文献  60-62

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