【摘 要】
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磨粒工况下,机械密封因严重的磨粒磨损易在短时间内失效,严重威胁到了生命财产安全。本研究采用数值模拟和试验分析相结合的方法,系统地研究密封端面的摩擦磨损机制和温升、端面变形、泄漏及寿命等密封性能。采用有限元计算方法,建立密封动静环固体域分析模型,分析机械密封端面温升和热力变形的特点和规律及其影响因素,试验验证了模型计算结果的正确性。结果表明,低压工况下端面变形主要由热膨胀引起,变形后沿端面径向向外贴
【基金项目】
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机械密封服役性能演变机理及可靠性评估方法研究,国家重点研发计划
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磨粒工况下,机械密封因严重的磨粒磨损易在短时间内失效,严重威胁到了生命财产安全。本研究采用数值模拟和试验分析相结合的方法,系统地研究密封端面的摩擦磨损机制和温升、端面变形、泄漏及寿命等密封性能。采用有限元计算方法,建立密封动静环固体域分析模型,分析机械密封端面温升和热力变形的特点和规律及其影响因素,试验验证了模型计算结果的正确性。结果表明,低压工况下端面变形主要由热膨胀引起,变形后沿端面径向向外贴合区域减小,形成锥形密封间隙。采用冷却措施降低端面温升,可有效减少泄漏和局部磨损;基于端面分形表达,建立动环-磨粒-静环三体微观接触模型,分析密封端面粗糙度、磨粒硬度、粒径、形状及载荷对磨粒运动形式和接触特性的影响,探索磨粒摩擦机理。发现,大粒径球形磨粒在较小粗糙度的密封端面上趋于滚动,棱锥形磨粒与密封端面呈现滑动。一定范围内,磨粒粒径不是影响端面磨损率的主要原因,硬磨粒、粗糙表面、高载荷摩擦条件下的摩擦应力更高;根据密封端面热力变形、微观接触变形,建立磨粒工况机械密封分形多孔介质泄漏模型,分析工况参数、密封表面参数对密封泄漏特性的影响,并进行了试验验证。结果显示,在端面变形和密封压差的双重影响下,密封泄漏量随密封压差增大逐渐增加,且增速加快,转速增加,泄漏量近似线性增大。表面粗糙度降低,泄漏量迅速减小后趋于稳定,过小粗糙度对降低泄漏量不明显。试验分析了磨粒工况下WC-Co硬质合金（WC）、无压烧结碳化硅陶瓷（SSi C）及类金刚石涂层（DLC）等典型摩擦副的摩擦磨损机制,并对摩擦副表面形貌进行观测。试验发现,石英砂磨粒中,DLC涂层的摩擦系数最低,但涂层容易大量脱落;SSi C陶瓷的摩擦系数最大,表面层状剥落严重,摩擦学性能对工况环境敏感;WC硬质合金摩擦系数居中,摩擦学性能及耐磨性均较稳定;研发磨粒工况机械密封试验样机及试验系统,测试了WC、SSi C及DLC涂层三种典型机械密封端面材料组对的摩擦温升和泄漏量,验证了模型的准确性。结果发现,WC硬质合金机械密封综合性能最优,泄漏量低于SSi C陶瓷机械密封,喷涂DLC涂层对机械密封的密封性能改善不明显。通过对磨粒工况机械密封的数值分析及试验研究,探究了摩擦磨损机理及最优材料配对,获得了端面温升和变形规律,揭示了密封泄漏特性。为磨粒工况机械密封的结构设计优化、材料选择及密封性能提升提供技术支持,推动抗磨粒长寿命高可靠性机械密封的发展。
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