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標(biāo)題: 先進(jìn)建模優(yōu)化液壓密封 [打印本頁]

作者: 寂靜天花板 時間: 2016-11-18 11:02
標(biāo)題: 先進(jìn)建模優(yōu)化液壓密封
液壓密封對高度敏感，可能會帶來問題，包括不能從轉(zhuǎn)子上充分起降、不穩(wěn)定的表現(xiàn)或徹底失敗。Technetics集團(tuán)通過利用在2015年的一種新的液壓密封設(shè)計(jì)上的動態(tài)密封經(jīng)驗(yàn)，解決了困擾著這項(xiàng)技術(shù)的問題，他們將現(xiàn)有的液壓密封的漏氣率從0.00035磅/分鐘減至0.00016磅/分鐘，同時實(shí)現(xiàn)了超過兩倍的起降速度。
這意味著液壓系統(tǒng)密封能成為可供范圍廣泛的航空應(yīng)用選擇的密封解決方案，從推進(jìn)發(fā)動機(jī)到變速箱，再到輔助動力裝置（APU），它能實(shí)現(xiàn)高達(dá)10倍的使用壽命，同時大幅減少維修和停機(jī)時間。

自從這一概念最先在20世紀(jì)60年代提出后，航空航天工業(yè)就對液壓密封具有濃厚的興趣，但是它還需要面對碳面接觸式密封以及其他接觸式密封解決方案的競爭，后者是可靠的，但性能受限，并且由于摩擦和由此產(chǎn)生的高溫而需要定期服務(wù)。隨著飛機(jī)運(yùn)營商在提升正常運(yùn)行時間以及降低成本方面承受著巨大的壓力，通過在飛機(jī)的多個部件改用液壓密封來減少檢修計(jì)劃，這成為一種極富吸引力的選擇。
一家主要的Tier 1航空供應(yīng)商希望Technetics集團(tuán)為其輔助動力裝置的主軸和變速箱提供液壓密封。碳面密封曾在該應(yīng)用中得到使用，但是由于它們與轉(zhuǎn)子接觸，所以每隔2000-5000小時飛行時間就必須進(jìn)行更換。Technetics的液壓密封設(shè)計(jì)預(yù)計(jì)能提供至少2萬小時的服務(wù)壽命。
“要更換輔助動力裝置上的一個密封，其過程可能需要花費(fèi)數(shù)天時間，在許多情況下，技術(shù)人員不得不從飛機(jī)中移除引擎來進(jìn)行這個過程，”Technetics集團(tuán)高級市場經(jīng)理Jason Riggs說，“密封通常靠近軸承，對其進(jìn)行更換是一個大工程。”
在Technetics加入這個項(xiàng)目時，其競爭的液壓密封在發(fā)動機(jī)測試中未能達(dá)到客戶的性能要求。根據(jù)Riggs介紹，考慮到航空航天工程師們歷來所遇到的與液壓系統(tǒng)密封相關(guān)的問題，現(xiàn)在這種情況并不足為奇。
“液壓密封已經(jīng)遇到過大量設(shè)計(jì)和制造方面的問題，包括在高空中的飛機(jī)上的性能挑戰(zhàn)，”Riggs指出，“這些失敗的一個根本原因就是用于優(yōu)化在這些條件下的流體動力學(xué)特征的設(shè)計(jì)理論和工具并不精確。”
當(dāng)發(fā)動機(jī)加速和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，將會在密封和轉(zhuǎn)子之間創(chuàng)造所需的壓縮氣膜，使得密封從轉(zhuǎn)子上起降，就像在濕路打滑過程中輪胎從路面分離一樣。每個液壓密封都會有一個起降（liftoff）速度，即空氣壓力超過彈簧或波紋管將密封保持在對面端面的壓力（此時系統(tǒng)未激發(fā)）。設(shè)計(jì)一個起降快速的密封，以在引擎啟動以及在高空飛行時更快地實(shí)現(xiàn)有效密封，這已被證明是難以捉摸的。
“我們的一個競爭對手的密封不能完全起降，”Riggs說，“這里仍然有一些壓縮氣膜，但它通常是處于起降和充分接觸之間的工作狀態(tài)。這會讓液壓密封設(shè)計(jì)的優(yōu)勢被邊緣化。”
另一種競爭技術(shù)使用密封面上的磁鐵讓不同的密封端面分開。這種系統(tǒng)需要非常特定的潤滑劑、O環(huán)以及安裝方法，否則可能會帶來災(zāi)難性的泄漏和軸承失效。
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Technetics集團(tuán)與一位行業(yè)顧問合作來開發(fā)可以分析和預(yù)測高空性能的代碼，主要是依靠來自ADINA的建模軟件。ADINA公司是由美國麻省理工學(xué)院（MIT）Klaus-Jürgen Bathe教授創(chuàng)立的，他是一位有限元分析的創(chuàng)新者。

Riggs提到ADINA時表示：“和其他建模工具相比，它有一個非常強(qiáng)大的解算器和更好的算法。這使得我們可以比競爭對手更準(zhǔn)確地預(yù)測所需的密封錐度。我們就能夠考慮以下因素所帶來的變形：熱膨脹、碳和容器在熱梯度上的不匹配以及部件旋轉(zhuǎn)和意圖扭曲而帶來的離心負(fù)載。在高空稀薄的空氣與低的絕對壓力情況下，大多數(shù)工具做出的理論假設(shè)并不準(zhǔn)確。我們能做出更有根據(jù)的假設(shè)，并設(shè)計(jì)一個最優(yōu)的液壓槽。”
Riggs說，因?yàn)椴凼庆o態(tài)的，而海拔高度會自然地發(fā)生變化，他們團(tuán)隊(duì)在模型中考慮了不同的高度和速度，但主要圍繞密封發(fā)揮作用的最高海拔高度來設(shè)計(jì)。
要求絕對精度
設(shè)計(jì)這些液壓密封只是第一個挑戰(zhàn)。Technetics團(tuán)隊(duì)隨后很快就發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)制造設(shè)備和工藝并不足以精確到能以足夠緊密的公差來切割液壓槽，以獲得最佳性能。
切割這些液壓槽的傳統(tǒng)方法是通過侵蝕介質(zhì)來蝕刻。
Riggs說：“我們發(fā)現(xiàn)需要創(chuàng)建一個專有的工藝來實(shí)現(xiàn)比現(xiàn)有的一切要嚴(yán)格得多的公差。這是主要的任務(wù)，但我們通過比之前所見過的所有方法都更復(fù)雜的方法，設(shè)計(jì)了一個能控制液壓槽位置、形狀以及深度的工藝。”
由于緊張的項(xiàng)目截止日期和一些材料需要長時間的提前期，工程和采購不得不同時運(yùn)行。13周的時間線要求該公司在原材料的提前期之外構(gòu)建原型。
在客戶主導(dǎo)的引擎測試中，Technetics集團(tuán)的液壓密封在起降、溫度和高空性能方面與建模性能只差幾個百分點(diǎn)。
“起降速度是一個性能和設(shè)計(jì)余量的很好指標(biāo)，我們?nèi)〉玫钠鸾邓俣缺人麄兊拇芜x方案低了一半，”Riggs說，“我們也比現(xiàn)有的液壓密封選項(xiàng)具有更好的性能。”
測試也體現(xiàn)了新的密封設(shè)計(jì)和舊的之間耐久性的比較。“這種密封可以應(yīng)付更多振動和極端條件，而且不會接觸，”Riggs說，“我們也做了一些耐久性測試，在運(yùn)行約2500個小時后，我們的液壓密封完全沒有磨損跡象。而競爭的液壓密封技術(shù)顯示出明顯的磨損，主要是因?yàn)樗鼈冊诟呖罩械钠鸾邓俣容^高以及氣膜厚度較低，而且它們由于振動或高空而不能一致起降和接觸。”
廣泛深遠(yuǎn)的影響
這些液壓密封的技術(shù)創(chuàng)新讓航空航天工程師們可以更自信地在幾個應(yīng)用中使用它們。
Riggs說：“液壓密封現(xiàn)在可以用在任何有旋轉(zhuǎn)軸和需要?dú)怏w密封或氣霧密封的地方。你可以將它們用于推進(jìn)發(fā)動機(jī)和輔助動力裝置，以及其他應(yīng)用，例如運(yùn)行低溫液體的火箭發(fā)動機(jī)的渦輪泵、變速箱和空氣渦輪機(jī)起動裝置。”
該技術(shù)具有與現(xiàn)有選項(xiàng)相比5倍到10倍的使用壽命，因而對軍事和商業(yè)用航空領(lǐng)域都有著深遠(yuǎn)影響。
Riggs說：“我們的液壓密封讓客戶能設(shè)計(jì)自己的裝配組件具有較高的轉(zhuǎn)速。而如果具有較高的速度，你將獲得更高的效率，無論是發(fā)動機(jī)還是變速箱。”
未來的潛力
時間會告訴我們液壓密封將多么快速地取代航空應(yīng)用中的接觸式密封。在客戶意圖降低飛機(jī)生命周期成本的壓力下，原始設(shè)備制造商（OEMs）將迅速轉(zhuǎn)向新的飛機(jī)。他們也會期望OEMs可以改造現(xiàn)有的液壓密封組件，以降低維護(hù)成本和增加有效服務(wù)時間。

作者: universal 時間: 2016-11-18 11:32
Technetics的金屬密封不錯，不然它也上不了發(fā)動機(jī)

作者: 雷神、plus 時間: 2016-11-18 12:14
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