机械密封端面黏着磨损分形模型

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江苏省流体密封与测控工程技术研究开发中心 作者:房桂芳

  在机械密封端面接触分形模型基础上,依据Archard 磨损理论,通过引入分形磨损系数及求解塑性和弹塑性变形微凸体的体积,建立了机械密封端面黏着磨损分形模型。得到了机械密封软质环端面磨损率与端面轮廓分形参数、真实接触面积、材料性能参数以及工作参数之间的关系式。对B104a -70 型机械密封软质环端面的磨损率进行了计算和分析。结果表明,端面磨损率随着端面比压、转速及端面特征尺度系数的增大而增大; 随着端面分形维数的增大先迅速减小后逐渐增大,即存在一个使磨损率最小的最优分形维数。

前言

  对于正常使用的接触式机械密封,端面磨损是失效的主要原因之一,端面磨损速率对机械密封的使用寿命有着重要影响。Mayer 分析了摩擦状态、接触压力、滑动速度、温度等因素对磨损性能的影响。Johnson 等在《Wear control handbook》中的“Seal Wear”一章,论述了机械密封磨损类型,磨损影响因素以及失效分析等重要问题。郝点和顾永泉利用相似原理推导出了与机械密封摩擦磨损过程有关的相似准则,提出了简化准则关系式的方法。之后,顾永泉又介绍了如何利用无因次相似准数( 磨损系数和工况参数) 试验统计数据来预算机械密封的磨损率,并给出了机械密封磨损率的一种简易计算方法。

  目前,机械密封端面磨损的研究还主要依靠试验手段观测端面磨损规律,根据经验公式估算磨损率。但材料磨损性能试验是一项耗费大量经费和时间,工作量巨大的基础研究工作。研究机械密封端面磨损特性及磨损规律,建立合理的端面磨损理论模型,对于机械密封结构合理设计、工况条件优化、材料评价选择、提高工作性能、延长使用寿命以及指导磨损试验等都具有重要意义。研究表明,机械密封端面磨损前后轮廓曲线均具有各向同性的分形特性。本文基于Archard磨损理论,并用具有尺度独立性的分形参数表征磨损表面的形貌及其变化,建立机械密封端面黏着磨损分形模型。依据所建立的模型,分析机械密封端面磨损率的影响因素。

2、机械密封端面磨损率的简易计算

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3、机械密封端面黏着磨损分形模型的建立

  3.1、机械密封端面微凸体的接触特性

  3.2、机械密封端面接触微凸体体积

  3.3、机械密封端面黏着磨损分形模型

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4、工作参数和端面形貌对磨损率的影响

  4.1、工作参数对软质环端面磨损率的影响

  4.2、端面分形参数对软质环端面磨损率γ 的影响

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5、结论

  (1) 机械密封端面黏着磨损分形模型揭示了磨损率与密封端面形貌、端面接触特性、材料性能参数以及工作参数之间的关系,这对机械密封结构合理设计、工况条件优化、材料评价选择,提高机械密封工作性能以及延长使用寿命等具有指导作用;

  (2) 由于在整个磨损过程中密封端面的形貌是动态变化的,即分形参数是时变的,故磨损率也是时变的。可以通过测量密封端面分形参数来预测端面的磨损率;

  (3) 通过对B104a -70 型机械密封软质环端面磨损率的理论计算表明: 机械密封端面磨损率随着端面比压、转速及端面特征尺度系数的增大而增大; 随着端面分形维数的增大先迅速减小后逐渐增大,即存在一个使磨损率最小的最优分形维数;

  (4) 计算磨损率时假设分形磨损系数KF为定值。实际上,载荷、端面形貌、端面间的摩擦状态、滑动速度、材料性能等都会对分形磨损系数产生影响。为准确预测机械密封端面磨损率,还需通过大量的磨损试验来获得分形磨损系数的变化规律。

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