基于碳陶復合材料的機械密封摩擦副溫度場數值模擬

摘 要：本文對碳陶復合材料進行機械密封摩擦副溫度場分布的數值模擬進行分析，并對其熱傳導性能及溫度場影響因素進行分析。研究內容涉及建立有限元模型、進行動環與靜環間摩擦生熱及熱傳導過程的模擬分析，并通過實驗對模擬結果的準確性進行驗證。結果發現，由于碳陶復合材料的高熱導率和較大比熱容，其能有效降低摩擦副的最高溫度，避免局部過熱現象，從而對機械密封系統的性能和使用壽命都有很好的改善作用，該研究為機械密封設計和材料選擇提供了科學依據，具有重要的應用價值。

關鍵詞：碳陶復合材料；數值模擬；熱傳導；實驗驗證

1 前言

隨著工業技術的不斷發展，機械設備的運行環境日益復雜，對機械密封材料的要求也不斷提高。碳陶復合材料由于其優異的力學性能和熱學性能，成為機械密封摩擦副中的重要材料。摩擦生熱導致的溫度場分布問題直接影響機械密封的性能和壽命，研究碳陶復合材料摩擦副的溫度場分布規律，具有重要的理論和實際意義。本文采用數值模擬方法，分析碳陶復合材料機械密封摩擦副的溫度場分布，并通過實驗驗證模擬結果，為優化機械密封設計提供參考。

2碳陶復合材料的特性與應用

2.1碳陶復合材料的基本特性

碳陶復合材料由于其在高溫和高應力環境下的優異表現，逐漸成為工業領域的重要材料，是一種新型復合材料。碳陶復合材料具有極高的強度和剛性，在高強度要求的應用場合，碳陶復合材料的密度較低，可以承受巨大的機械應力，使之表現優異。該材料韌性較好，抗破壞能力較好，能應對震蕩和震動。在高溫環境下，碳陶復合材料保持穩定，不容易出現熱膨脹和熱疲勞，它的熱膨脹系數低，導熱性能極佳，可以很快地將熱量散發出去，避免局部過熱。該材料還具有不易被化學介質侵蝕的良好化學穩定性和耐腐蝕性，使其壽命得以延長。

2.2碳陶復合材料在機械密封中的應用

傳統的密封材料在高溫、高壓和高轉速條件下容易失效，而碳陶復合材料由于其優異的熱學和力學性能，成為解決這一問題的理想選擇。碳陶復合材料在機械密封中的應用主要表現在動環和靜環等關鍵部件上。動環和靜環的表面經過精密加工，以確保其光滑度和密合度，從而降低泄漏風險。由于碳陶復合材料具有良好的耐高溫性能，動環和靜環在高溫條件下依然能保持穩定的密封性能。其耐磨性能使得密封部件在長時間運轉中磨損較小，延長了密封系統的使用壽命。碳陶復合材料還具有優良的化學穩定性，在化工、石油等行業中，能有效抵抗各種腐蝕性介質的侵蝕，保證密封系統的可靠性和穩定性。這些特性使得碳陶復合材料在航空航天、汽車制造、能源等領域的機械密封應用中表現出色，顯著提升了設備的整體性能和運行效率。

2.3碳陶復合材料在摩擦副中的應用現狀

在摩擦副系統中，影響系統性能的要害是摩擦生熱和磨損。在各種高性能剎車盤、離合器片、軸承等摩擦副件上，碳陶復合材料已得到了廣泛的應用。在汽車工業中，碳陶復合制動盤在大幅延長制動盤使用壽命的同時，還能在高溫高壓條件下保持良好的制動性能，縮短剎車距離，提高安全性，因為它的熱穩定性和耐磨性非常出色。在航空航天領域，飛機制動系統和高性能渦輪葉片等部件都采用了碳陶復合材料，其強度高、密度低、耐高溫的特點大大提高了可靠性和運行效率。在高溫、高速、高壓環境下，碳陶復合材料軸承、密封件性能優異，使設備維護費用降低，停機時間增加，生產效率得到提高。

3機械密封摩擦副溫度場的理論分析

3.1機械密封摩擦副的工作原理

通過動環與靜環之間的密封面，實現流體的有效隔離，防止內部介質泄漏，是機械密封摩擦副在工業設備中所起到的至關重要的作用，包括摩擦、磨損、潤滑、熱傳導等多種物理過程。機械密封摩擦副的工作原理復雜，其核心在于動環與靜環之間的微小空隙，使兩個密封面緊密貼合，形成一道屏障，通過精密的加工和彈性元件的壓強，阻止介質的滲漏。動環與靜環之間在機械密封操作過程中有相對運動，產生摩擦力，產生摩擦生熱，從而對密封性能產生影響。

密封面上的摩擦力可以表示為：

Ff =μFn （1）

其中，Ff為摩擦力，μ為摩擦系數，Fn為正向壓力。正向壓力由彈性元件（如彈簧）的預緊力和介質壓力共同作用產生，確保密封面始終保持貼合狀態。摩擦副的潤滑狀態對密封性能至關重要，常見的潤滑狀態包括液膜潤滑、邊界潤滑和干摩擦。液膜潤滑是通過在密封面之間形成一層流體膜，減小摩擦和磨損，提高密封壽命和可靠性。

摩擦生熱是另一個重要的影響因素，摩擦生熱使得密封面的溫度升高，溫度場分布直接影響密封面的材料性能和密封效果。熱傳導方程描述了溫度場的分布情況：

（2）

其中，ρ為材料密度，c為比熱容，K為熱導率，T為溫度，t為時間，Q為單位體積內產生的熱量。摩擦生熱產生的熱量通過熱傳導在材料內部和表面擴散，形成溫度梯度，影響密封面的熱膨脹和接觸壓力。

磨損不僅會改變密封面的形貌和表面粗糙度，還會影響密封間隙和密封性能。Archard磨損模型用于描述磨損量與接觸壓力、相對滑動距離之間的關系：

（3）

其中，VW為磨損體積，K為磨損系數，Fn為正向壓力，L為相對滑動距離，H為材料硬度。通過控制密封材料的選擇、表面處理和潤滑條件，可以優化摩擦副的性能，減少磨損，延長密封系統的使用壽命[1]。

3.2溫度場的影響因素

摩擦副在工作過程中，動環和靜環之間的相對運動會產生摩擦力，而摩擦力在摩擦界面上做功，將機械能轉化為熱能，導致溫度上升。摩擦生熱的大小取決于摩擦系數、接觸壓力和相對滑動速度。材料的熱傳導性能也對溫度場分布產生重要影響，材料的熱導率決定了熱量在材料內部的傳導速度和傳導路徑。高熱導率材料能夠更快地將熱量從摩擦界面傳導至其他區域，從而降低摩擦界面的溫度。材料的比熱容和密度也影響溫度場的變化，比熱容較大的材料在吸收相同熱量時，溫度升高較慢，能夠更好地平衡溫度場分布。摩擦副表面的熱量通過熱傳導在材料內部擴散，表面熱量通過對流散熱到周圍介質中。對流散熱的效率取決于介質的流動狀態、流速和熱傳導系數。在液體介質中，對流散熱效率通常較高，能夠有效降低摩擦副表面的溫度。

4數值模擬方法

數值模擬的基本原理是基于偏微分方程的數值解法，主要包括離散化、求解和后處理三個階段。離散化是數值模擬的核心步驟，它將連續的物理問題轉化為離散的數值問題。常用的離散化方法包括有限差分法、有限元法和有限體積法。有限元法因其適應復雜幾何形狀和邊界條件的能力，被廣泛應用于熱傳導問題的數值模擬。有限元法通過將求解區域劃分為有限個小單元，每個單元用簡單的多項式函數近似描述溫度場分布，從而將原問題轉化為單元上的離散方程，對于熱傳導方程如上述公式（2）所示。

在有限元法中，其離散化為代數方程組，以包含溫度場節點值和時間步長的矩陣形式表示，通過加權余量法和變分法。解法階段為溫度場數值解法，利用數值計算解法，求得離散后的代數方程組。對于穩態題來說，解法比較簡單，溫場分布只要一次解出來就可以了。而對于瞬態題，溫度場的隨時間演化需要用時間步進法來逐步求解。常用的時間步進法包括用于復雜熱傳導問題的解決，穩定性和收斂性較好的顯式和隱式方法。解法時還需考慮確定溫場具體分布和變化的熱邊界條件和初始條件的設SCW3q+XtFEZF92tvU/PR7QzteyaWFvEYFnxWTmSBU5c=置[2]。

5數值模擬結果與分析

5.1模擬結果的可視化

模擬結果的可視化是將數值模擬獲得的數據以圖形和圖表的形式呈現，直觀地展示溫度場的分布和演化過程。利用有限元分析軟件，生成摩擦副溫度場的等溫線圖和溫度分布云圖，可以清晰地觀察溫度在不同區域的梯度變化和熱點位置。表1為某一工況下的溫度分布結果。

5.2結果分析

從數值模擬的結果來看，溫度最高的是接觸面附近，達到了150.3℃。這是由于摩擦力在接觸面上做功，發熱很多。在吸收相同熱量時，比熱容和密度更高的材料的溫度會緩慢上升，這有助于溫場分布的平衡。在這項研究中，高熱導率和大比熱容的碳陶復合材料使總體溫場分布更加均勻。還有一個重要的影響因素，就是對熱的流動。模擬結果顯示，通過對流換熱散失到周圍介質中，動環和靜環表面的熱量使表面溫度明顯降低。對流換熱效率的高低，取決于介質的流動狀態，也取決于介質的熱傳導系數的高低。采用冷卻液在模擬工況下進行強對流換熱，從而有效地控制了表面溫度。表2是相同工況下不同導熱材料溫度分布的比較。

5.3模擬結果的驗證

為了驗證數值模擬結果的準確性，需要通過實驗方法進行對比驗證。在實驗中，通過在機械密封摩擦副上安裝溫度傳感器，實時監測不同位置的溫度變化，并與數值模擬結果進行對比。表3為某一工況下實驗測得的溫度數據與模擬數據的對比。

對比試驗資料可知，模擬結果與實驗數據基本相符，其溫度誤差在可接受的范圍內。這就對數值仿真方法的精確性和可靠性給予了肯定。主要誤差來源是材料熱物性參數的不確定性和試驗測量誤差，如能進一步優化材料參數和試驗條件，可使模擬結果的精確度得到進一步的提升。這為設計和開發具有良好性能的高溫合金材料提供了一個可靠的數值模擬基礎[3]。

6結論

該文對機械密封摩擦副溫度場分布基于數值模擬的方法進行了研究，并對主要影響因素摩擦生熱材料熱導率和對流換熱等進行了分析。經研究得出，碳陶復合材料的優異熱傳導性能可以有效降低摩擦副的最高溫度，使溫度分布更為均勻。實驗驗證結果與模擬數據高度一致，證明了數值模擬方法的精確性和可靠性，為優化機械密封設計和材料選擇提供科學依據，使機械密封系統的性能和使用壽命得到提高。因此，本研究對機械密封領域的發展具有重要意義。

參考文獻

[1]王金剛，張安妮，郭志鵬.碳纖維陶瓷基復合材料用于密封摩擦副的溫度場研究[J].液壓與氣動，2018（12）：90-96.

[2]徐達，李志鵬，楊建文，等.基于FLUENT的機械密封溫度場影響因素對比分析[J].礦山機械，2015，43（1）：104-109.

[3]張明明，郝木明.機械密封腔內流場及摩擦副溫度場的數值計算[J].石油化工設備技術，2008（1）：63-66+22.

基金項目：1.本文系陜西省教育廳2023年度一般專項科學研究計劃項目省級研究課題“碳纖維增強SiC陶瓷基復合材料用于機械密封摩擦副的導熱性能研究”（課題編號：23JK0316）。

2.陜西國防工業職業技術學院校級研究課題“碳纖維增強陶瓷基復合材料在攪拌設備機械密封中的應用研究”（課題編號：Gfy22-35）。