先進(jìn)建模優(yōu)化液壓密封

寂靜天花板

液壓密封對(duì)高度敏感，可能會(huì)帶來(lái)問(wèn)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(guò)利用在2015年的一種新的液壓密封設(shè)計(jì)上的動(dòng)態(tài)密封經(jīng)驗(yàn)，解決了困擾著這項(xiàng)技術(shù)的問(wèn)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(shí)實(shí)現(xiàn)了超過(guò)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(dòng)機(jī)到變速箱，再到輔助動(dòng)力裝置（APU），它能實(shí)現(xiàn)高達(dá)10倍的使用壽命，同時(shí)大幅減少維修和停機(jī)時(shí)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(duì)液壓密封具有濃厚的興趣，但是它還需要面對(duì)碳面接觸式密封以及其他接觸式密封解決方案的競(jìng)爭(zhēng)，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(yíng)商在提升正常運(yùn)行時(shí)間以及降低成本方面承受著巨大的壓力，通過(guò)在飛機(jī)的多個(gè)部件改用液壓密封來(lái)減少檢修計(jì)劃，這成為一種極富吸引力的選擇。
& j6 ?4 Q1 m. o% q# U一家主要的Tier 1航空供應(yīng)商希望Technetics集團(tuán)為其輔助動(dòng)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(shí)飛行時(shí)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(wàn)小時(shí)的服務(wù)壽命。
9 Y! C, ]2 C% {6 d0 E# w5 e: T“要更換輔助動(dòng)力裝置上的一個(gè)密封，其過(guò)程可能需要花費(fèi)數(shù)天時(shí)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(lái)進(jìn)行這個(gè)過(guò)程，”Technetics集團(tuán)高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理Jason Riggs說(shuō)，“密封通常靠近軸承，對(duì)其進(jìn)行更換是一個(gè)大工程。”
在Technetics加入這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，其競(jìng)爭(zhēng)的液壓密封在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)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(lái)所遇到的與液壓系統(tǒng)密封相關(guān)的問(wèn)題，現(xiàn)在這種情況并不足為奇。
5 P/ X5 i/ ^+ C' T% O% \2 q; |% ]- ?9 k“液壓密封已經(jīng)遇到過(guò)大量設(shè)計(jì)和制造方面的問(wèn)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(gè)根本原因就是用于優(yōu)化在這些條件下的流體動(dòng)力學(xué)特征的設(shè)計(jì)理論和工具并不精確。”
6 @. w: _+ ~- B8 [當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)加速和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，將會(huì)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(guò)程中輪胎從路面分離一樣。每個(gè)液壓密封都會(huì)有一個(gè)起降（liftoff）速度，即空氣壓力超過(guò)彈簧或波紋管將密封保持在對(duì)面端面的壓力（此時(shí)系統(tǒng)未激發(fā)）。設(shè)計(jì)一個(gè)起降快速的密封，以在引擎啟動(dòng)以及在高空飛行時(shí)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(gè)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的密封不能完全起降，”Riggs說(shuō)，“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(huì)讓液壓密封設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)被邊緣化。”
; k5 a; H" Z0 p2 s另一種競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)使用密封面上的磁鐵讓不同的密封端面分開(kāi)。這種系統(tǒng)需要非常特定的潤(rùn)滑劑、O環(huán)以及安裝方法，否則可能會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性的泄漏和軸承失效。
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9 c) X% L4 r4 p8 zTechnetics集團(tuán)與一位行業(yè)顧問(wèn)合作來(lái)開(kāi)發(fā)可以分析和預(yù)測(cè)高空性能的代碼，主要是依靠來(lái)自ADINA的建模軟件。ADINA公司是由美國(guó)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。
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, Q$ b& p6 s4 V: h# D) YRiggs提到ADINA時(shí)表示：“和其他建模工具相比，它有一個(gè)非常強(qiáng)大的解算器和更好的算法。這使得我們可以比競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)所需的密封錐度。我們就能夠考慮以下因素所帶來(lái)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(lái)的離心負(fù)載。在高空稀薄的空氣與低的絕對(duì)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(gè)最優(yōu)的液壓槽。”
2 Y* Z4 k3 I( \& CRiggs說(shuō)，因?yàn)椴凼庆o態(tài)的，而海拔高度會(huì)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(lái)設(shè)計(jì)。
要求絕對(duì)精度
設(shè)計(jì)這些液壓密封只是第一個(gè)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(lái)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(guò)侵蝕介質(zhì)來(lái)蝕刻。
Riggs說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)專有的工藝來(lái)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(guò)比之前所見(jiàn)過(guò)的所有方法都更復(fù)雜的方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)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(zhǎng)時(shí)間的提前期，工程和采購(gòu)不得不同時(shí)運(yùn)行。13周的時(shí)間線要求該公司在原材料的提前期之外構(gòu)建原型。
6 v* [4 m) B9 y* Y: |5 Y5 B2 p; U在客戶主導(dǎo)的引擎測(cè)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(gè)百分點(diǎn)。
1 o$ \; t3 a8 l8 a' T* u“起降速度是一個(gè)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(shuō)，“我們也比現(xiàn)有的液壓密封選項(xiàng)具有更好的性能。”
* \4 x$ q# N# |/ K7 z2 \9 s測(cè)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(dòng)和極端條件，而且不會(huì)接觸，”Riggs說(shuō)，“我們也做了一些耐久性測(cè)試，在運(yùn)行約2500個(gè)小時(shí)后，我們的液壓密封完全沒(méi)有磨損跡象。而競(jìng)爭(zhēng)的液壓密封技術(shù)顯示出明顯的磨損，主要是因?yàn)樗鼈冊(cè)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(dòng)或高空而不能一致起降和接觸。”
& B+ y7 k& J- ^  h/ A廣泛深遠(yuǎn)的影響
" o3 }, s$ z8 f& C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(gè)應(yīng)用中使用它們。
, U: E4 S, a$ G! x/ HRiggs說(shuō)：“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(dòng)機(jī)和輔助動(dòng)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(dòng)機(jī)的渦輪泵、變速箱和空氣渦輪機(jī)起動(dòng)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(duì)軍事和商業(yè)用航空領(lǐng)域都有著深遠(yuǎn)影響。
Riggs說(shuō)：“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(wú)論是發(fā)動(dòng)機(jī)還是變速箱。”
未來(lái)的潛力
時(shí)間會(huì)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(huì)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(shí)間。
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universal

Technetics的金屬密封不錯(cuò)，不然它也上不了發(fā)動(dòng)機(jī)

雷神、plus

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