基于Archard理論的硬密封磨損壽命分析

王祺武，李志鵬，，李 捷

（1.長沙理工大學 能源與動力工程學院，長沙 410114；2.湖南省特大口徑電站閥門工程技術研究中心，長沙 410007）

0 引言

泄漏是閥門使用中常見的故障，密封件相互接觸產生磨損量的累積是引起密封失效的主要原因之一，嚴重時甚至造成安全事故。因此，有必要對閥門啟閉過程中的密封磨損情況進行研究分析。

SCHMIDT 等[1]基于 Archard磨損模型，通過有限元軟件二次開發功能求解了O形圈的磨損量。馮占榮等[2]應用有限元法對關閉狀態下的硬密封球閥密封性及應力進行分析，解決了閥門泄漏的問題。偶國富等[3]建立了球閥的主密封結構有限元模型及密封性能評價模型，采用硬接觸小滑移算法對密封副接觸進行了非線性有限元分析，得到了金屬硬密封球閥主密封面密封比壓變化規律。LI等[4]利用有限元仿真模擬了環形密封件的磨損狀況，發現隨著時間的推移，密封表面逐漸消耗，致使密封表面的最大接觸壓力快速下降并逐漸保持平穩。常凱[5]基于Archard摩擦磨損模型，利用有限元仿真軟件ANSYS結構和熱分析功能，提出了一種適用于O形旋轉密封圈的磨損模擬方法。華劍等[6]對金屬陶瓷硬密封副密封比壓采用赫茲彈性接觸理論分析，并建立了密封性能評價模型。孔翔等[7]建立了金屬密封副有限元模型并進行泄漏分析，通過修改各結構參數分析得到泄漏影響趨勢，對閥門進行了新的設計。

硬密封閥門因其能正常工作在較高溫度和介質壓力下，并具有良好的密封性能和耐磨性，在煉油、煤煤化工和傳統電站疏水系統及發電廠等各個領域被廣泛應用。目前對于閥門泄漏分析對其結構設計和改進方面的研究較多，軟密封閥門的研究分析已趨于成熟，而硬密封閥門密封性能的分析報道較少[8]，硬密封主要是通過硬-硬接觸來實現良好的密封性能，接觸過程中對密封副的磨損將會是導致閥門密封失效產生泄漏的重要原因。因此本文基于Archard理論，通過有限元軟件輔助分析，模擬摩擦副之間相對滑動，得到不同階段下密封的磨損深度及磨損量，分析密封副之間的磨損趨勢及使用壽命，給閥門設計提供一定的幫助。

1 主要參數

本研究采用某公司DN1100PN16的水電站進水閥硬密封蝶閥模型，密封圈直徑20 mm，密封面內徑1 026 mm，初始密封面擠壓量為0.08 mm。提取其密封副局部結構如圖1所示，關閥時，閥板順時針旋轉，蝶板密封面與閥座相接觸產生微小變形而實現密封效果，主要部件參數見表1。

圖1 密封接觸面結構Fig.1 Structure of sealing contact surface

表1 各零部件主要參數Tab.1 Main parameters of each part

2 Archard磨損模型

本文采用Archard提出的簡單的粘著磨損計算公式[9]。其模型如圖2所示，假設接觸表面是由球形微凸體組成，接觸變形的區域是圓形，半徑為r，當接觸發生時微凸體發生塑性變形。

圖2 磨損簡化模型Fig.2 Simplified wear model

接觸微凸體的面積為Ai=πr2，其體積實際接觸面積與載荷成正比表示為：

式中 σs——材料的屈服極限，Pa。

n個微凸體所承受的這個表面的總載荷可表示為：

假設每當擦過一個微凸體就會產生一個半圓球磨屑，當一個微凸體滑動了2r時其磨損量為n個完整的微凸體，磨損度W表示為：

當兩個表面相對滑動了L的距離，并考慮法向正壓力的數值超過材料的屈服極限σ3時，接觸面將遭受磨損破壞。此時磨損量可以表示為如下關系式：

由于摩擦接觸過程中產生磨屑是有一定概率的，因此引入磨損系數 Kf[10-12]，有：

式中 VQ——磨損體積，m3；

Kf——磨損系數，代表摩擦副的性能；

N——接觸表面的合力，N；

σs——屈服極限，Pa；

L——兩摩擦副的相對滑動位移，m。

Kf由摩擦副材料、摩擦表面粗糙度及摩擦條件等決定，在空氣介質中，具有良好潤滑的金屬表面，Kf=10-8～10-7；潤滑不良的表面 Kf=10-4～10-5；潔凈表面 Kf=10-3～10-4。XIA 等[13]在 Optimol SRV振蕩式摩擦和磨損測試儀上進行了磨損實驗，得到由GCr15和06Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼組成的摩擦副磨損系數Kf=9.66×10-7，徐向陽等對06Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼和GCr15剛球進行磨損實驗計算出磨損系數 Kf=1.0×10-5[14]。本文保守計算取Kf=10-5。

閥座密封面處介質作用力為：

式中 FMJ——密封面處介質作用力，N；

DMN——密封面內徑，mm；

bM——密封面寬度，mm；

p ——設計壓力，MPa，取公稱壓力的1/10。

磨損區域大致如圖3所示，由幾何關系得出密封件被磨損的體積，式（5）可知單次被磨損量，從而計算出閥門可啟閉次數。

圖3 磨損區域示意Fig.3 Schematic diagram of the wear area

3 接觸區有限元仿真分析

使用Workbench平臺下靜力學分析模塊，為減少計算量將模型簡化成二維模型，O形密封圈與閥座密封件之間采用摩擦接觸，根據硬密封材料，摩擦因子取0.1，使用增強拉格朗日算法，O形圈與閥板之間采用綁定接觸。

整體網格采用1 mm尺寸，在O形密封圈與閥座密封接觸部位采用局部網格加密，網格無關性檢驗結果見表2。

圖4 網格示意Fig.4 Schematic diagram of grids

表2 網格無關性檢驗Tab.2 Grid independence test

保證計算精度的同時考慮計算量的大小，選取加密部位尺寸為0.05 mm的設置，得到接觸壓力如圖5所示。提取接觸面壓強和穿透量，并將接觸區域由下至上依次編號見表3，各節點間隔0.05 mm。

圖5 首次接觸時壓力云圖Fig.5 Pressure nephogram at first contact

表3 首次接觸時節點壓強及穿透量Tab.3 Nodal pressure and penetration at the first contact

從圖5可以看出，密封的磨損中間部分較深，向兩邊依次遞減，符合圓形邊緣的磨損趨勢。由于有限元軟件對微小變形并不敏感，在仿真分析時會出現算法自動填補微小變形區域的情況。因此將0.08 mm擠壓量全部磨損掉的整個磨損失效問題分解成4個步驟，根據前一次的仿真結果建立下一次的仿真有限元模型，間隔0.02 mm擠壓量。

根據首次計算結果，由表3中數據計算得接觸面平均壓力為1 389 308 N，當磨損深度h達到0.02 mm時閥門的啟閉次數為557次。

隨著磨損深度的增加，摩擦副的相對位移距離會變大，摩擦副之間的擠壓量變小，無法判斷密封面上接觸壓力的變化趨勢。建立0.02 mm磨損深度的模型，進行仿真分析，得到其接觸面上壓強和穿透量見表4。

表4 磨損深度為0.02 mm時壓強及穿透量Tab.4 Pressure and penetration when the wear depth is 0.02 mm

從表中看出，隨著磨損的繼續，摩擦副接觸區域有所增加。計算得接觸面上平均壓力為1 852 191 N也增加明顯，這是因為密封接觸壓力的減少量比接觸面積的增加量要小，導致整個密封面平均接觸壓力增大。此外，可以看出最大接觸壓力出現在頂部接觸區域，這是因為隨著磨損深度的增加，在頂部區域形成了尖銳形狀，而頂部區域又是最先接觸區域，所以導致出現了最大接觸壓力。計算出當磨損深度到0.04 mm時閥門啟閉次數可達1 444次。

繼續按照磨損趨勢修改模型，建立0.04 mm磨損深度的模型，進行仿真分析。其接觸面上壓強和穿透量見表5。可以看出靠下方壓力及穿透量較大，但是從表中看出穿透量都在一個數量級，差別不是很大，較為平穩，平均接觸壓力也下降到了1 306 203 N。計算出磨損深度到0.06 mm時閥門啟閉次數可達3 012次。同樣建立0.06 mm磨損深度模型進行仿真分析。結果見表6。

表5 損深度為0.04 mm時壓強及穿透量Tab.5 Pressure and penetration when the wear depth is 0.04 mm

表6 磨損深度為0.06 mm時壓強及穿透量Tab.6 Pressure and penetration when the wear depth is 0.06 mm

從表中可以看出此次磨損趨勢和首次磨損大致相同，但接觸區域擴大兩倍而接觸壓力及穿透量縮小了一個數量級。這是因為密封副已經度過了磨合期，被磨損部件基本趨近于整平，與前一階段0.04 mm磨損深度下仿真結果相比，壓強值和穿透量的變化也不再劇烈，磨損率已經變得穩定。計算得當磨損深度到0.08 mm時，也就是密封面間無擠壓量密封失效時，閥門可啟閉5 854次，滿足了中國電站閥門優等品4 000次啟閉的標準。

從宏觀來看，在第4次模擬仿真時得到的磨損趨勢與首次相同，因此推測，在密封面接觸磨損過程中，可看作每3次為一磨損周期，首次接觸時磨損趨勢與接觸面形狀相符合；第2次接觸時在首先受到擠壓的上部分區域磨損較大；第3次接觸時下方區域有出現接觸壓力略大情況，但是整體差別并不明顯，磨損情況較為平穩。

4 結論

（1）基于Archard磨損模型，通過離散化磨損深度，利用ANSYS有限元軟件模擬仿真閥門密封副之間的磨損情況。提出了預測密封面磨損情況的方法及流程，解決了閥門設計之初不適合耗費大量財力物力來實驗預測密封材料磨損情況的問題。

（2）以密封副初始擠壓量0.08 mm為例，計算當0.02 mm磨損深度時，密封中間部分磨損劇烈，閥門已啟閉557次；當0.04 mm磨損深度時，密封靠上區域磨損較為嚴重，閥門已啟閉1 444次；當0.06 mm磨損深度時，密封靠下區域磨損略大但整體已趨近平穩，閥門已啟閉3 012次；當擠壓量被磨損完全時，閥門已啟閉5 854次。

（3）以0.02 mm磨損深度為間隔，通過仿真分析，根據穿透量分析密封面的磨損趨勢，以初始擠壓量0.08 mm被完全磨損為密封失效臨界，根據壓強計算平均接觸壓力，推算出閥門擁有5 854次的啟閉壽命，在閥門設計之初指導工程人員的設計，保證閥門的服役質量，利于閥門密封結構的創新。