工作參數對接觸式機械密封端面接觸特性的影響

房桂芳，劉其和，魏 龍

(南京科技職業學院 江蘇省流體密封與測控工程技術研究開發中心，江蘇 南京 210048)

引言

機械密封是一種廣泛應用于各種旋轉機械的軸封[1-3]。接觸式機械密封兩端面間的實際接觸都是發生在端面的微凸體上[4-5]，微凸體的變形與接觸特性對機械密封工作性能有著重要影響[6-12]。魏龍等[13-15]基于分形理論，對接觸式機械密封端面微凸體的變形特性和磨合過程密封端面的接觸特性隨端面形貌分形參數的變化規律進行了研究。結果表明，密封端面的接觸微凸體包括彈性變形的微凸體、塑性變形的微凸體以及彈塑性變形的微凸體；且隨著磨合過程的進行，密封端面的形貌分形參數趨于穩定值。

接觸式機械密封的端面接觸特性除受端面形貌分形參數影響外，還與機械密封的工作參數有關。本研究依據魏龍等[14-15]建立的機械密封端面接觸分形模型和微凸體不同變形狀態接觸面積比分形模型，通過模擬計算分析工作參數對接觸式機械密封端面接觸特性的影響規律。

1 計算模型

1.1 密封端面微凸體接觸特性計算模型

密封端面微凸體的接觸特性可以采用在密封端面真實接觸面積中，彈性變形微凸體接觸面積、彈塑性變形微凸體接觸面積和塑性變形微凸體接觸面積所占比例的大小來表征[14]，其定義式為：

(1)

式中，Tre—— 彈性接觸面積比

Trep—— 彈塑性接觸面積比

Trp—— 塑性接觸面積比

Are—— 彈性變形微凸體接觸面積

Arep—— 彈塑性變形微凸體接觸面積

Aep—— 塑性變形微凸體接觸面積

Ar—— 密封端面真實接觸面積

魏龍等[14]將硬質環與軟質環端面間的接觸等效為剛性光滑平面與粗糙表面間的接觸，建立了密封端面微凸體接觸特性分形模型，其表達為：

(2)

(3)

(4)

式中，D—— 軟質環端面分形維數

G*—— 量綱1特征尺度系數

G—— 軟質環端面特征尺度系數

bm—— 密封端面微凸體承載面積比

Aa—— 密封環帶面積

E—— 綜合彈性模量

E1，E2—— 硬質環、軟質環材料彈性模量

υ1,υ2—— 硬質環、軟質環材料泊松比

Kf—— 摩擦校正系數

fc—— 密封端面微凸體接觸摩擦系數

σ2y—— 軟質環材料抗壓屈服強度

ψ—— 分形區域擴展系數

1.2 密封端面微凸體承載面積比計算模型

魏龍等[15]考慮密封端面接觸微凸體的彈性變形、塑性變形和彈塑性變形狀態，建立了機械密封端面接觸分形模型，推導出了密封端面微凸體承載面積比bm與微凸體接觸比壓pc的關系式。

1

(5)

D=1.5

(6)

式中，pc—— 密封端面微凸體接觸比壓

f(i)—— 中間函數，i為1～4的整數

1.3 密封端面軸向力平衡條件

根據機械密封端面軸向力平衡條件可得[1]:

pc=ps+(B-Km)p

(7)

式中，ps—— 彈簧比壓

B—— 平衡系數

Km—— 膜壓系數

p—— 密封介質壓力

處于混合摩擦狀態下的密封端面間的膜壓系數Km可按式(8)計算[15]:

(8)

式中，ρ—— 液膜密度

n—— 轉速

r1，r2—— 密封端面內、外半徑

2 工作參數對密封端面接觸特性的影響

以廣泛應用的內裝式單端面平衡型接觸式機械密封處于混合摩擦工作狀態下為例進行計算分析。密封環的結構參數如表1所示，性能參數如表2所示。密封介質為20 ℃的清水。

表1 密封環的結構參數

表2 密封環性能參數

2.1 彈簧比壓對密封端面接觸特性的影響

當取轉速n=2900 r/min時，通過計算得到不同密封介質壓力p下，彈簧比壓ps對密封端面微凸體彈性接觸面積比Tre、彈塑性接觸面積比Trep和塑性接觸面積比Trp的影響如圖1所示。

圖1 彈簧比壓對端面接觸特性的影響

由圖1可知，隨著彈簧比壓ps的增大，彈性接觸面積比Tre近似呈線性增大，彈塑性接觸面積比Trep和塑性接觸面積比Trp近似呈線性減小；且介質壓力p越大，Tre，Trep，Trp與ps的關系曲線線性越好。介質壓力p較小時，彈簧比壓ps對Tre，Trep和Trp的影響較大。

2.2 介質壓力對密封端面接觸特性的影響

當取轉速n=2900 r/min時，通過計算得到不同彈簧比壓ps下，介質壓力p對密封端面微凸體彈性接觸面積比Tre、彈塑性接觸面積比Trep和塑性接觸面積比Trp的影響如圖2所示。

由圖2可知，隨著介質壓力p的增大，彈性接觸面積比Tre增大，彈塑性接觸面積比Trep和塑性接觸面積比Trp減小。當p較小時，Tre,Trep和Trp變化的幅度較大；而當p較大時，隨著p的增大，Tre，Trep和Trp變化的幅度不斷減小。

圖2 密封流體壓力對端面接觸特性的影響

由式(7)可知，彈簧比壓ps及介質壓力p的增大，均會引起端面微凸體接觸比壓pc增大；pc增大導致微凸體的變形增大，從而使密封端面微凸體承載面積比bm增大。分析式(2)～式(4)可知，bm增大，則Tre增大，Trep和Trp減小。

2.3 轉速對密封端面接觸特性的影響

當取介質壓力p=0.05 MPa時，通過計算得到在不同彈簧比壓ps下，轉速n對密封端面微凸體彈性接觸面積比Tre、彈塑性接觸面積比Trep和塑性接觸面積比Trp的影響如圖3所示。

由圖3可知，隨著轉速n的增大，彈性接觸面積比Tre逐漸減小，彈塑性接觸面積比Trep和塑性接觸面積比Trp逐漸增大；且隨著n的增大，Tre、Trep和Trp變化的幅度不斷增大。由式(7)和式(8)可知，n的增大使密封端面間液膜動壓效應增強，膜壓系數Km增大，引起密封端面微凸體接觸比壓pc減小，從而使微凸體承載面積比bm減小。bm減小，則Tre減小，Trep和Trp增大。比較圖1～圖3中Tre、Trep和Trp的大小還可看出，在正常的工作參數范圍內，密封端面真實接觸面積中彈性變形微凸體接觸面積所占比例最大，塑性變形微凸體接觸面積所占比例最小。

圖3 轉速對端面接觸特性的影響

3 結論

(1)隨著彈簧比壓的增大，彈性接觸面積比Tre近似呈線性增大，彈塑性接觸面積比Trep和塑性接觸面積比Trp近似呈線性減??；

(2)隨著介質壓力p的增大，Tre增大，Trep和Trp減小。當p較小時，Tre，Trep和Trp變化的幅度較大；而當p較大時，隨著p的增大，Tre，Trep和Trp變化的幅度不斷減?。?/p>

(3)隨著轉速n的增大，Tre逐漸減小，Trep和Trp逐漸增大；且變化幅度不斷增大；

(4)本研究通過模擬計算得出的工作參數對密封端面接觸特性的影響規律，適用于混合摩擦工作狀態下的內裝式單端面平衡型接觸式機械密封；

(5)密封端面接觸特性的研究為接觸式機械密封端面摩擦、磨損等性能的深入研究提供了一定的基礎。除密封端面的接觸特性外，泄漏率、摩擦工況、磨損率、端面溫度等均受工作參數的影響，如何優化工作參數從而提升密封性能還需今后進一步開展綜合的深入研究。