工作参数对接触式机械密封端面接触特性的影响

房桂芳，刘其和，魏 龙

(南京科技职业学院 江苏省流体密封与测控工程技术研究开发中心，江苏 南京 210048)

引言

机械密封是一种广泛应用于各种旋转机械的轴封[1-3]。接触式机械密封两端面间的实际接触都是发生在端面的微凸体上[4-5]，微凸体的变形与接触特性对机械密封工作性能有着重要影响[6-12]。魏龙等[13-15]基于分形理论，对接触式机械密封端面微凸体的变形特性和磨合过程密封端面的接触特性随端面形貌分形参数的变化规律进行了研究。结果表明，密封端面的接触微凸体包括弹性变形的微凸体、塑性变形的微凸体以及弹塑性变形的微凸体；且随着磨合过程的进行，密封端面的形貌分形参数趋于稳定值。

接触式机械密封的端面接触特性除受端面形貌分形参数影响外，还与机械密封的工作参数有关。本研究依据魏龙等[14-15]建立的机械密封端面接触分形模型和微凸体不同变形状态接触面积比分形模型，通过模拟计算分析工作参数对接触式机械密封端面接触特性的影响规律。

1 计算模型

1.1 密封端面微凸体接触特性计算模型

密封端面微凸体的接触特性可以采用在密封端面真实接触面积中，弹性变形微凸体接触面积、弹塑性变形微凸体接触面积和塑性变形微凸体接触面积所占比例的大小来表征[14]，其定义式为：

(1)

式中，Tre—— 弹性接触面积比

Trep—— 弹塑性接触面积比

Trp—— 塑性接触面积比

Are—— 弹性变形微凸体接触面积

Arep—— 弹塑性变形微凸体接触面积

Aep—— 塑性变形微凸体接触面积

Ar—— 密封端面真实接触面积

魏龙等[14]将硬质环与软质环端面间的接触等效为刚性光滑平面与粗糙表面间的接触，建立了密封端面微凸体接触特性分形模型，其表达为：

(2)

(3)

(4)

式中，D—— 软质环端面分形维数

G*—— 量纲1特征尺度系数

G—— 软质环端面特征尺度系数

bm—— 密封端面微凸体承载面积比

Aa—— 密封环带面积

E—— 综合弹性模量

E1，E2—— 硬质环、软质环材料弹性模量

υ1,υ2—— 硬质环、软质环材料泊松比

Kf—— 摩擦校正系数

fc—— 密封端面微凸体接触摩擦系数

σ2y—— 软质环材料抗压屈服强度

ψ—— 分形区域扩展系数

1.2 密封端面微凸体承载面积比计算模型

魏龙等[15]考虑密封端面接触微凸体的弹性变形、塑性变形和弹塑性变形状态，建立了机械密封端面接触分形模型，推导出了密封端面微凸体承载面积比bm与微凸体接触比压pc的关系式。

1

(5)

D=1.5

(6)

式中，pc—— 密封端面微凸体接触比压

f(i)—— 中间函数，i为1～4的整数

1.3 密封端面轴向力平衡条件

根据机械密封端面轴向力平衡条件可得[1]:

pc=ps+(B-Km)p

(7)

式中，ps—— 弹簧比压

B—— 平衡系数

Km—— 膜压系数

p—— 密封介质压力

处于混合摩擦状态下的密封端面间的膜压系数Km可按式(8)计算[15]:

(8)

式中，ρ—— 液膜密度

n—— 转速

r1，r2—— 密封端面内、外半径

2 工作参数对密封端面接触特性的影响

以广泛应用的内装式单端面平衡型接触式机械密封处于混合摩擦工作状态下为例进行计算分析。密封环的结构参数如表1所示，性能参数如表2所示。密封介质为20 ℃的清水。

表1 密封环的结构参数

表2 密封环性能参数

2.1 弹簧比压对密封端面接触特性的影响

当取转速n=2900 r/min时，通过计算得到不同密封介质压力p下，弹簧比压ps对密封端面微凸体弹性接触面积比Tre、弹塑性接触面积比Trep和塑性接触面积比Trp的影响如图1所示。

图1 弹簧比压对端面接触特性的影响

由图1可知，随着弹簧比压ps的增大，弹性接触面积比Tre近似呈线性增大，弹塑性接触面积比Trep和塑性接触面积比Trp近似呈线性减小；且介质压力p越大，Tre，Trep，Trp与ps的关系曲线线性越好。介质压力p较小时，弹簧比压ps对Tre，Trep和Trp的影响较大。

2.2 介质压力对密封端面接触特性的影响

当取转速n=2900 r/min时，通过计算得到不同弹簧比压ps下，介质压力p对密封端面微凸体弹性接触面积比Tre、弹塑性接触面积比Trep和塑性接触面积比Trp的影响如图2所示。

由图2可知，随着介质压力p的增大，弹性接触面积比Tre增大，弹塑性接触面积比Trep和塑性接触面积比Trp减小。当p较小时，Tre,Trep和Trp变化的幅度较大；而当p较大时，随着p的增大，Tre，Trep和Trp变化的幅度不断减小。

图2 密封流体压力对端面接触特性的影响

由式(7)可知，弹簧比压ps及介质压力p的增大，均会引起端面微凸体接触比压pc增大；pc增大导致微凸体的变形增大，从而使密封端面微凸体承载面积比bm增大。分析式(2)～式(4)可知，bm增大，则Tre增大，Trep和Trp减小。

2.3 转速对密封端面接触特性的影响

当取介质压力p=0.05 MPa时，通过计算得到在不同弹簧比压ps下，转速n对密封端面微凸体弹性接触面积比Tre、弹塑性接触面积比Trep和塑性接触面积比Trp的影响如图3所示。

由图3可知，随着转速n的增大，弹性接触面积比Tre逐渐减小，弹塑性接触面积比Trep和塑性接触面积比Trp逐渐增大；且随着n的增大，Tre、Trep和Trp变化的幅度不断增大。由式(7)和式(8)可知，n的增大使密封端面间液膜动压效应增强，膜压系数Km增大，引起密封端面微凸体接触比压pc减小，从而使微凸体承载面积比bm减小。bm减小，则Tre减小，Trep和Trp增大。比较图1～图3中Tre、Trep和Trp的大小还可看出，在正常的工作参数范围内，密封端面真实接触面积中弹性变形微凸体接触面积所占比例最大，塑性变形微凸体接触面积所占比例最小。

图3 转速对端面接触特性的影响

3 结论

(1)随着弹簧比压的增大，弹性接触面积比Tre近似呈线性增大，弹塑性接触面积比Trep和塑性接触面积比Trp近似呈线性减小；

(2)随着介质压力p的增大，Tre增大，Trep和Trp减小。当p较小时，Tre，Trep和Trp变化的幅度较大；而当p较大时，随着p的增大，Tre，Trep和Trp变化的幅度不断减小；

(3)随着转速n的增大，Tre逐渐减小，Trep和Trp逐渐增大；且变化幅度不断增大；

(4)本研究通过模拟计算得出的工作参数对密封端面接触特性的影响规律，适用于混合摩擦工作状态下的内装式单端面平衡型接触式机械密封；

(5)密封端面接触特性的研究为接触式机械密封端面摩擦、磨损等性能的深入研究提供了一定的基础。除密封端面的接触特性外，泄漏率、摩擦工况、磨损率、端面温度等均受工作参数的影响，如何优化工作参数从而提升密封性能还需今后进一步开展综合的深入研究。