关键词：动压型机械密封;;数值模拟;;神经网络;;穷尽搜索法;;遗传算法;;多目标多工况优化
摘 要：流体动压型机械密封因其全流体润滑、摩擦功耗及温升较小、使用寿命长等优势而具有广阔的应用前景。由于动压型机械密封面对的应用环境和条件多种多样而且比较复杂,如何针对实际要求确定端面造型参数以获得优良密封润滑性能是产品研发和使用中十分关注的问题,尤其是密封应用工况与设计工况不匹配或者密封使用中出现工况变化时,如何使密封保持变工况下良好运行状态,需要通过科学的优化加以解决。本文将在国家自然科学基金项目(编号为51279067)的资助下,以螺旋槽上游泵送机械密封为例,考虑工况变化的优化问题,对上游泵送机械密封进行多目标多工况优化研究。主要研究工作及结论如下:1、基于空化模型,通过采用动网格技术,对螺旋槽上游泵送机械密封微间隙内流场进行了数值计算,分析了工况变化对密封润滑性能的影响规律,并确定了优化研究的工况变化范围。2、建立了基于CFD流场计算的多目标多工况优化设计流程、优化数学模型,分析确定了优化变量和优化目标;采用均匀试验设计方法构造设计矩阵,应用模糊集理论确定不同工况下的液膜刚度和泄漏量的权重因子,以三个工况下的加权平均泄漏量和加权平均刚度为目标函数,确定性能约束条件;对比分析了响应面模型、Kriging模型和人工神经网络模型等不同预测模型对优化结果的影响;通过Kriging近似模型得到优化目标液膜刚度K、泄漏量Q与优化变量槽深h、螺旋角α、槽径比β、槽宽比γ的拟合关系曲面,并分析了优化变量对优化目标的影响规律。3、基于层次分析法、穷尽搜索法和多目标优化算法对密封进行优化设计,对比分析了两种不同的优化方法及优化结果。研究表明,两种优化方法都显著提高了密封性能,穷尽搜索法和遗传算法优化后的密封液膜刚度比原始密封在0.1MPa工况下分别提高了11.76%和14.44%,在0.3MPa工况下分别提高了10.5%和12.2%,在1MPa工况下分别提高了4.8%和5.8%;而泄漏量在0.1MPa下分别减小了11.69%和14.26%,在0.3MPa下分别减小了13.64%和16.15%,在1MPa下分别减小了5.24%和6.45%。4、应用BVF诊断方法对优化前后的密封内流场进行BVF诊断分析,结果表明,优化后螺旋槽表面的BVF无论是峰值还是均值,都比原始密封要小,均匀性指数γ_a也更接近1,相对而言,遗传算法优化结果的BVF峰值、BVF均值更小,均匀性指数γ_a更高。同时,对优化前后的密封进行了试验对比,进一步验证了优化结果的正确性和优化方法的合理性。本文研究将为非接触式机械密封的优化设计提供理论依据和实践参考。
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