接觸式機械密封穩態摩擦特性研究

郝木明 宋勇 王順吉 孫彭濤 任寶杰 李勇凡 王增麗

摘要：接觸式機械密封在運轉中主要處于混合潤滑狀態，其端面間隙與表面粗糙度處于同一數量級。為探究混合潤滑狀態下接觸式機械密封的摩擦磨損特性，分析端面溫度和摩擦扭矩等性能參數受工況參數的影響規律，結合平均雷諾方程以及ZMC接觸模型，求解混合潤滑端面間的接觸特性，建立混合潤滑磨損模型，研究接觸式機械密封在潤滑條件下，摩擦特性參數隨操作參數的變化規律，開展了相應的試驗研究，并對理論分析結果進行驗證。研究結果表明：隨介質壓力增加，微凸體接觸力占比增加，通過改變端面間接觸狀態來改變摩擦狀態；隨轉速增加，端面間接觸狀態不變，但轉速加大了端面間磨損距離與溫度，進而導致磨損加劇；在壓力影響試驗中，密封環溫度和密封腔溫度隨壓力變化成正比，且每次壓力變化都使得密封環溫度產生階躍變化。所得結論對機械密封因過熱和磨損導致的失效現象分析具有一定的理論指導意義。

關鍵詞：接觸式機械密封；混合潤滑；摩擦特性；端面溫度；摩擦扭矩；接觸狀態

The contact mechanical seal is mainly in a mixed lubrication state during operation， and its end clearance and surface roughness are in the same order of magnitude.In order to explore the friction and wear characteristics of contact mechanical seal in the mixed lubrication state， the influences of working parameters on the performance parameters such as end face temperature and friction torque were analyzed.Then， combined with the average Reynolds equation and the ZMC contact model， the contact characteristics between mixed lubrication end faces were solved.The mixed lubrication wear model was built to study the variation of friction characteristic parameters with operating parameters of contact mechanical seal under lubrication conditions.Finally， corresponding experimental research was carried out to verify the theoretical analysis results.The research results show that， with the increase of medium pressure， the proportion of asperity contact force increases， and the friction state is changed by changing the contact state between the end faces.With the increase of rotation speed， the contact state between the end faces remains unchanged， but the rotation speed increases the wear distance and temperature between the end faces， which leads to the aggravation of wear.In the pressure influence test， the temperature of the sealing ring and the temperature of the sealing cavity are proportional to the pressure change， and each pressure change makes the temperature of the sealing ring have a step change.The conclusions have certain theoretical guiding significance for the failure analysis of mechanical seal caused by overheating and wear.

contact mechanical seal；mixed lubrication；friction characteristics；end face temperature；friction torque；contact state

0 引 言

接觸式機械密封在石油化工、航空航天、核電及冶金等諸多領域廣泛應用，但在實際運轉中，密封往往要面對各類復雜和極端工況，失效問題十分常見，而密封一旦失效，造成的損失遠大于密封本身的價值［1-3］。接觸式機械密封在運轉中主要處于混合潤滑狀態，其端面間隙與表面粗糙度處于同一數量級［4-5］，間隙偏大可能造成泄漏量超標，間隙過小則會造成磨損嚴重。端面磨損是制約接觸式機械密封使用壽命的重要因素，因此，使用壽命與泄漏量之間的平衡是機械密封摩擦特性研究需要解決的重要問題［6-8］。

現階段對密封磨損特性的理論研究主要包含2類。一是以Archard磨損模型［9］為基礎，例如惠玉祥等［10］建立了考慮磨損的接觸式密封性能計算模型，在考慮變形與磨損的基礎上計算密封性能參數；馬潤梅等［11］通過有限元分析的方法研究了干摩擦機械密封變形以及磨損狀況，并通過試驗驗證了計算模型的正確性。二是以分形理論為基礎，例如李小彭等［12］建立了分形磨損模型，研究分形參數對磨損的影響；張正棠［13］基于分形理論對干氣密封環的摩擦磨損進行數值模擬，分別建立了基于磨粒磨損和黏著磨損2種磨損形式的磨損模型。

然而，現有研究大多僅考慮端面固相直接接觸導致的磨損，未考慮潤滑介質對端面間流場特性以及磨損特性的影響。為此，筆者結合平均雷諾方程以及ZMC（粗糙表面彈塑性微觀接觸模型）接觸模型，求解混合潤滑端面間的接觸特性，建立混合潤滑磨損模型，研究接觸式機械密封在潤滑條件下，摩擦特性參數隨操作參數的變化規律，并開展相應的試驗研究，以對理論分析結果進行驗證。所得結論對機械密封因過熱和磨損導致的失效現象分析具有一定的理論指導意義。

1 理論模型

1.1 粗糙表面間流體潤滑控制方程

采用混合潤滑的平均雷諾方程計算端面間流場分布，其柱坐標表達式如下［14］：

2 理論結果分析

2.1 轉速對摩擦特性的影響

圖1為轉速對摩擦特性的影響曲線。由圖1可知，隨著轉速變化，由于端面間只存在靜壓效應，液膜力保持不變，占閉合力的30%，所以接觸摩擦扭矩不變。隨著轉速的增大，液膜黏性剪切摩擦力變大，進而導致總摩擦扭矩增大。隨著密封轉速增大，端面間的摩擦生熱量增大導致端面峰值溫度上升；在滑動接觸線速度與界面閃溫的共同影響下，磨損率呈現二次曲線增長趨勢。

2.2 介質壓力對摩擦特性的影響

圖2為介質壓力對摩擦特性參數的影響曲線。由圖2可知，隨著密封介質壓力的增加，端面間液膜流體靜壓效應變大，液膜承載力增加，但是液膜承載力增加的幅度不足以平衡密封閉合力，因此微凸體接觸力以及液膜承載力都呈線性增加。同時由于端面間接觸狀態發生轉變，端面間接觸摩擦扭矩與液膜黏性剪切扭矩同時增加。介質壓力的增加導致端面間隙減小，端面間微凸體接觸力增大，端面間產生更多的接觸摩擦熱，進而導致端面溫度上升；微凸體接觸力的增加以及溫度的升高同時加劇了軟質環的磨損。

3 試驗驗證

3.1 測試方案

在測試方案中，采用單個被測密封對，在電機連續運轉的情況下，連續改變工況，采集整個過程中端面溫度以及摩擦扭矩的變化規律。在靜環圓周方向均布4個測溫盲孔，將熱電偶插入靜環測溫孔中，實現對端面4個點溫度的實時測量。摩擦扭矩采用轉速轉矩儀測量。

3.2 介質壓力的影響

3.2.1 溫度結果

圖3為介質壓力對溫度的影響曲線。

由圖3可以發現：隨著不同壓力條件的變化，密封環溫度出現明顯的階躍現象，且與介質壓力變化成正比關系，每當介質壓力升高0.1 MPa，密封環溫度升高約5 ℃，4個傳感器測得溫度從30 ℃升到120 ℃，溫度上升較為明顯；但密封腔溫度上升趨勢始終保持穩定，在壓力變化時只出現小幅度的波動現象。

通過密封環溫度計算結果與模擬結果的對比發現，理論計算與試驗結果誤差約為12 ℃，誤差率為12%，且壓力越高，誤差越大。分析誤差產生的原因可能包括以下幾點：①試驗過程中測量位置距離端面有2 mm距離，會導致一定的溫度差距；②模擬過程中未考慮換熱器和管道對介質溫度的影響；③模擬過程中假設密封環背面絕熱，實際上密封環與靜環座、彈簧座都存在一定的熱量傳遞。

3.2.2 摩擦扭矩結果

圖4為介質壓力對摩擦扭矩的影響曲線。由圖4可以發現：隨著介質壓力的增加，摩擦扭矩不斷變大，但由于試驗采用全新的密封環，在開始運轉的過程中必定存在磨合過程，所以在0.1～0.2 MPa下摩擦扭矩呈現小幅度下降；在0.2 MPa以后，摩擦扭矩與介質壓力呈近似正比關系。將每個工況下的摩擦扭矩求平均值作為該工況下的摩擦扭矩值，與模擬計算的結果進行對比，可以發現，摩擦扭矩隨著介質壓力的升高而增大，但試驗結果與模擬結果具有一定差距。

3.3 轉速的影響

3.3.1 溫度結果

圖5為轉速對溫度的影響曲線。從圖5可以看出：隨著轉速的增加密封環溫度呈階躍式增加趨勢，每次轉速變化500 r/min，溫度升高約5 ℃，密封腔溫度與密封環溫度變化趨勢相同，在轉速突變時密封腔溫度變化滯后于密封環溫度，且升高速率較慢；理論計算結果與實際測量結果整體趨勢相同，平均誤差為15%，但轉速越高，結果差距越大。

3.3.2 摩擦扭矩結果

圖6為轉速對摩擦扭矩的影響曲線。由圖6可以發現：隨著轉速的提升，摩擦扭矩不斷變大，轉速每提高500 r/min時，摩擦扭矩增加約0.04 N·m，且每次工況變化會改變端面摩擦狀態，需重新進入一個短時的磨合期，因此會出現峰值；試驗結果與模擬結果整體趨勢一致，誤差保持在0.2 N·m左右。分析認為，產生誤差的原因為理論計算中未考慮密封介質黏度變化對摩擦扭矩的影響，密封運轉時產生的溫升會導致密封介質黏度以及軸承箱潤滑脂黏度的減小，因此引起一定誤差。同時可以發現，試驗結果增加速率略高于模擬結果，產生該現象的原因為模擬計算過程中將端面假設為純平面，而實際上端面存在微凸體，轉速越高，端面間微凸體相互碰撞產生的摩擦扭矩越大，因此試驗結果的增速高于模擬結果。

4 結 論

本文在考慮潤滑的前提下，建立了接觸式機械密封穩定磨損階段的磨損模型，分析計算不同工況對接觸式密封摩擦特性參數的影響，得到如下主要結論：

（1）所給計算條件下，微凸體接觸力占比均大于液膜承載力占比，且介質壓力會對端面間接觸狀態產生較大影響。

（2）隨介質壓力增大，微凸體接觸力占比增加，通過改變端面間接觸狀態來改變摩擦狀態；隨轉速增加，端面間接觸狀態不變，但轉速加大了端面間磨損距離與溫度，進而導致磨損加劇。

（3）在壓力影響試驗中，密封環溫度和密封腔溫度隨壓力變化成正比，且每次壓力變化都使得密封環溫度產生階躍變化；由于運轉初期存在短時間磨合過程，摩擦扭矩出現短時下降趨勢，而后扭矩與壓力變化成正比關系。

（4）在轉速影響試驗中，密封環與密封腔的溫度與轉速成正比，且在轉速變化時也出現小幅度溫度階躍；摩擦扭矩總體變化趨勢與轉速成正比，但是在每次工況變化時，密封都會進入一個短時的磨合期，導致摩擦扭矩出現小幅峰值。

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第一郝木明，教授，博士生導師，生于1964年，2003年畢業于俄羅斯烏法國立石油技術大學，獲博士學位，現從事流體動密封相關研究及應用工作。地址：（266580）山東省青島市，電話：（0532）86983521。Email：haomm@upc.edu.cn。