复杂工况波纹管机械密封系统多体多场耦合振动及失效分析

The bellows mechanical seal device has been widely used in petroleum, chemical, aerospace, nuclear power and other fields due to its superior performance. Under the complex conditions of the high parameters, the key parts of mechanical seal suth as the bellows, the sealing ring and the fluid film of friction were in the high temperature, high speed, high pressure and the rigid-flexible coupling effects of the multi-physics coupling complex conditions, resulting in the mechanical seal system instability, the sealing ring of abnormal wear, thermal cracking, thermal deformation and the fluid film failure, the bellows loss of shells, tearing and the shaft of high order coupling vibration, cause the mechinical seal failure. This project for high parameter bellows mechanical seal device overall rigid-flexible hybrid system dynamics, considering the characteristics of mechanical seal stiffness-flexible movement, the sealing ring friction interface fluid film deformation and hysteresis effect, the shaft and the bellows of high order coupling vibration, the dynamic and static ring and the fluid film rigid-flexible coupling effect system, present the FEM model of the absolute nodal coordinates method for the key parts of the mechanical seal system, reseach the dynamics characteristics and the description method of flexible structure, and propose a improving flexible multi-body dynamics modeling method, analysis and reveal the vibration characteristics of mechanical seal system in the multi-field coupling conditions, thus provide the dynamics analysis theory and method for the stability analysis and the best parameter matching.

在高参数复杂工况条件下，由波纹管机械密封装置关键零部件组成的波纹管-密封环-摩擦副液膜-转轴刚柔液多体耦合转子系统常因热流固耦合激励效应而发生耦合激振，造成机械密封转子系统失稳，导致密封环非正常磨损、热裂、热变形及液膜失效、波纹管失弹、撕裂及整个密封系统失效。本项目针对高参数复杂工况波纹管机械密封装置多体多场耦合系统非线性动力学过程，考虑机械密封机构刚柔运动、摩擦副液膜和波纹管的非线性阻尼耦合作用、动静环和液膜刚柔耦合效应及热流固耦合激励效应等系统特征，提出完善的多体多场耦合建模方法，建立适应于波纹管机械密封系统绝对节点坐标法的有限元模型，研究多体多场耦合的非线性动力学特性和描述方法，采用数值计算与试验测试方法，分析和揭示波纹管机械密封装置刚柔液多体系统在热流固多场耦合条件下非线性耦合作用机理、耦合激振特性及密封失效原因，为复杂工况波纹管机械密封系统的优化设计提供科学依据。

1.项目简介. 本研究以高参数波纹管机械密封系统为研究对象，针对其关键零部件波纹管、密封环、摩擦副流体膜等引发的刚柔多体耦合及热流固多场耦合系统非线性转子动力学过程，采用多体多场耦合数值建模分析和试验测试方法，全面考虑波纹管机械密封机构刚柔性运动、摩擦副界面流体膜变形、摩擦副端面槽型、波纹管振动模态、密封环热、力变形，对波纹管机械密封系统进行了数值建模及耦合振动分析，分析并揭示了波纹管机械密封系统及其关键零部件在刚柔多体耦合及热流固多场耦合激励条件下非线性耦合作用机理及振动特性，研究了高参数复杂工况条件下工况参数对波纹管机械密封系统密封性能参数的影响规律以及对密封失效的作用机理。.2.主要创新点及研究进展.（1）波纹管动力学特性及腔内流体冲蚀的研究. 针对密封腔流体及预应力耦合激励作用诱发波纹管振动失效机理，建立了波纹管及流体模型，对波纹管进行流固耦合及模态分析，研究了对不同类型金属波纹管在复杂工况条件下对其寿命的影响。.（2）密封环和摩擦副流体膜耦合特性及相互耦合机理研究. 针对流体膜流场特性及密封环的材料匹配、结构参数对流体膜与密封环耦合振动特性的影响问题，进行了均压环型波纹管机械密封特性研究及槽型优化、螺旋机械密封波纹管结构激振及流固耦合分析、内圆弧槽机械密封摩擦副流固耦合分析以及复杂工况机械密封环振动模态分析。.（3）波纹管机械密封热流固耦合建模及分析方法研究. 建立了波纹管机械密封密封环及摩擦副界面流体膜的热流固耦合数值分析模型，详细进行了密封环及摩擦副界面流体膜的温度场、应力场、变形场以及动态参数的分析和计算，获取了密封环在不同结构尺寸、转速等条件下温度场、变形场、应力场变化情况。.3．研究成果. 项目成果国内外发表核心期刊论文11篇,其中SCI1篇，EI2篇，参加国内外国际学术会议5次；项目已培养硕士研究生6名，在读7名；项目研究期间有1名讲师聘为副教授，1名助教聘为讲师。