机械密封补偿机构中辅助O形密封圈摩擦磨损性能的研究(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京化工大学 作者:于焕光

  在分析橡胶材料干摩擦和水润滑摩擦两种摩擦机理的基础上,采用INSTRON 高频疲劳试验机对机械密封补偿机构中辅助O 形密封圈在这两种状态下的摩擦力进行了测试。试验获得了不同滑移速度下摩擦系数与载荷的关系以及不同载荷下摩擦系数与滑移速度之间的关系。结果表明: 水润滑状态下由于密封接触面能够形成润滑水膜,摩擦力较小,更适合长期稳定运转。

1、前言

  机械密封圈虽然成本低廉,但是影响着整套机械密封的运行,其重要性具体体现在两方面:一方面要实现浮动环的密封,另一方面还要保证浮动环在轴向微小移动和角向微小摆动情况下对配偶环的追随性和补偿性。辅助密封设计的好坏直接影响整个密封系统的性能和寿命。因摩擦而产生的磨损是一切密封元件损坏的主要原因,辅助密封也不例外。O 形密封圈因自身结构简单、制造容易、成本低廉、安装方便等优点成为典型辅助密封的代表。本文在前人对橡胶进行的磨耗研究的基础上,对O 形密封圈的摩擦性能做了进一步的研究。

  本文重点研究干摩擦和水润滑两种状态下,摩擦系数与介质压力、滑移速度以及压缩量的关系,为机械密封整体性能的优化提供参考。

2、理论分析

  众所周知,刚性体之间的滑动摩擦力仅与垂直压力和摩擦系数有关,并且摩擦系数常取固定值。橡胶体发生摩擦时,由于接触面发生弹性变形,摩擦现象复杂,摩擦系数不再是个固定值,而受到垂直压力、滑动速率以及温度的显著影响。对橡胶摩擦来说,通常主要有粘附摩擦、滞后摩擦和气窝摩擦3 种摩擦。真空技术网(http://www.chvcuum.com/)细究其摩擦机理有下述情况。

2.1、干摩擦状态下的摩擦机理

  橡胶属于高弹性、高分子材料,在无任何润滑剂的情况下,其表面与接触面间产生摩擦的因素有两个: 一个是橡胶表面与干燥表面的粘着,另一个就是橡胶本身的滞后作用。橡胶与其接触面间的摩擦力F 实际上是粘着摩擦力Fa 与滞后作用所产生的摩擦力Fh 之和。粘着现象是一种表面效应,而滞后现象是由于橡胶类材料的弹性和粘弹性引起的综合现象。

2.1.1、粘着摩擦力

  粘着摩擦力是在界面上因粘附作用而引起的力,与实际接触面积成正比,计算式为:

粘着摩擦力是在界面上因粘附作用而引起的力

  式中s - 比例常数,其值为各微小接触面的剪切阻力;Ai - 第i 个微小接触面积;n - 微小接触面总数

2.1.2、滞后摩擦力

  滞后摩擦力是在橡胶中因滞后作用或橡胶的内摩擦而引起的变形损耗力,计算式为:

滞后摩擦力是在橡胶中因滞后作用或橡胶的内摩擦而引起的变形损耗力

  式中c  - 与橡胶类型有关的系数;Eci - 橡胶局部( 第i 个微面积上) 受压缩而产生的能量;Eei - 橡胶越过障碍物后恢复的能量

2.1.3、摩擦系数

  干燥摩擦状态下总摩擦力F 为:

F = Fa + Fh (3)

  相应的摩擦系数表述如下:

μ = μa + μh (4)

  式中μa ———粘着摩擦系数;μh ———滞后摩擦系数

2.2 水润滑状态下橡胶的摩擦机理

2.2.1、水润滑状态下的摩擦力

  由于橡胶材料的弹性很大,所以其具有很高的滞后损耗。在水润滑状态下,橡胶与接触面间的粘附项会变得很小,摩擦的主要部分来自橡胶本身的变形损耗。可以证明在纯滚动中滚动阻力几乎完全是变形固体中的滞后损耗。

2.2.2、水润滑状态下的摩擦系数

  在水润滑状态下,接触面间的相对滑动速度对摩擦系数有直接影响。通常速度增高,粘着力和滞后力都会增大,从而摩擦系数也会相应增大。本文通过试验发现当滑移速度增大到一定值后,摩擦系数趋于稳定。

2.2.3、弹流效应

  当刚性体与弹性体的接触表面间有润滑剂存在时,在一定的载荷和滑动速度下,会呈现弹性流体动力润滑状态。这是因为在一定的滑动速度下,润滑水膜的收敛区会建立起流体动力的压力楔,并在弹性体的表面上产生一层稳定的支承薄膜,即压力水膜层。此压力水膜层足以将两接触表面分开,而在发散区水膜压力将迅速下降,甚至达到负值。

  更多与 机械密封 相关的文章请阅读:

  机械密封http://www.chvacuum.com/mechanical-seal/