工作參數和端面形貌對機械密封端面磨損率的影響

機械密封 房桂芳 江蘇省流體密封與測控工程技術研究開發中心

  以工作在常溫清水介質中的B104a -70 型機械密封為例進行分析。B104a - 70 型機械密封的硬質環端面材料為硬質合金YG8,E1 = 6 ×105MPa、ν1 = 0.24; 軟質環材料為碳石墨M106K,E2 = 1.6 × 104MPa、ν2 = 0.20、σ2y = 200MPa; 微凸體接觸摩擦因數fc = 0.1; 密封面內徑為69mm、外徑為78mm、名義接觸面積Aa =1039mm2,載荷系數K = 0.895。假設分形磨損系數KF為定值,且參照真空技術網(http://www.qbjic.club/)其他文章中中的Kw值取為KF= 5 × 10 - 7

工作參數對機械密封軟質環端面磨損率的影響

  1、端面比壓pc對軟質環端面磨損率γ 的影響

  當取轉速n = 2900r /min 時,得到不同D 和G組對時γ 與pc的關系曲線如圖4 所示。其中,D和G 的組對值是根據文獻[11]的試驗結果選取的。由圖4 可知,當其他參數一定時,磨損率γ 隨著端面比壓pc的增大而近似線性地增大。這是因為,pc

  增大導致微凸體的變形增大,從而使端面間黏著結點產生的磨屑總體積增大,磨損率γ增大。

工作參數對機械密封軟質環端面磨損率的影響

圖4 γ 與pc的關系曲線

  2、轉速n 對軟質環端面磨損率γ 的影響

  當取端面比壓pc = 0.35MPa 時,得到不同D和G 的組對時,γ 與n 的關系曲線如圖5 所示。由圖5 可知,當其他參數一定時,磨損率γ 隨著轉速n 的增大而近似線性地增大。這是因為,轉速n 增大,則單位時間內接觸微凸體摩擦的次數增多,從而使端面間黏著結點產生的磨屑數增多,磨屑總體積增大,磨損率γ 增大。

工作參數對機械密封軟質環端面磨損率的影響

圖5 γ 與n 的關系曲線

機械密封端面分形參數對軟質環端面磨損率γ 的影響

  當取端面比壓pc = 0.35MPa、轉速n = 2900r /min 時,端面輪廓分形參數D 和G 對軟質環端面磨損率γ 的影響如圖6 和圖7 所示。

機械密封端面分形參數對軟質環端面磨損率γ 的影響

圖6 γ 與D 的關系曲線

機械密封端面分形參數對軟質環端面磨損率γ 的影響

圖7 γ 與G 的關系曲線

  由圖6 可知,存在一個使磨損率γ 最小的最優分形維數Do,即當分形維數D 較小時,γ 隨著D 的增大而迅速減小; 但當D > Do時,隨著D 的增大,γ 逐漸增大。這是因為: 由式( 4) 可知,ac隨著D 的增大而減小,且當D 較小時變化幅度較大,這將導致隨著D 的增大,處于塑性或彈塑性接觸狀態的微接觸點迅速減少,也即黏著結點迅速減少,因此,γ 也迅速減小; 而當D 增大到較大值后,當D 再進一步增大時,一方面導致ac減小,另一方面導致端面輪廓更加細化,從而使小于ac的塑性或彈塑性接觸點增多。在這兩個動態變化的過程中,最終使得D 達到一定值后,隨著D 的增大,γ 逐漸增大。

  由圖7 可知,隨著特征尺度系數G 的增大,磨損率γ 逐漸增大。這是因為: 由式( 4) 可知,當G 增大時ac也增大,從而使塑性或彈塑性微接觸點增多,導致黏著結點增多,磨損率γ 增大。

  另外,由圖6 和圖7 還可知,當端面分形維數D 小于最優分形維數Do時,特征尺度系數G 的變化對磨損率γ 的影響較大,而隨著D 的增大,其影響變得越來越不明顯。這主要是因為當D 較大時,端面輪廓非常細化,G 對臨界彈性變形微接觸面積ac的影響較小,因此G 對磨損的影響相對減弱。