(南京科技職業(yè)學(xué)院江蘇省流體密封與測(cè)控工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心， 江蘇南京 210048)

引言

端面溫度對(duì)機(jī)械密封的工作性能有著直接的影響[1-9]，將密封端面溫度控制在合理的范圍內(nèi)是保證機(jī)械密封長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件。工作時(shí)，由于端面間的相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦熱，從而引起端面溫度升高。端面溫度的升高又會(huì)改變端面間的摩擦特性，使端面摩擦系數(shù)發(fā)生變化[10-12]。過(guò)高的端面溫度會(huì)使端面間液膜汽化， 造成密封失穩(wěn)，泄漏量增加；溫度升高還會(huì)加劇端面的磨損和腐蝕，甚至因溫度變化而引起熱沖擊和熱裂等。由于接觸式機(jī)械密封環(huán)大多屬于窄環(huán)，密封端面在熱載荷作用下的變形對(duì)密封性能的影響較小，工程計(jì)算時(shí)，常以端面平均溫度代替復(fù)雜的溫度場(chǎng)[1-2]。

機(jī)械密封工作初期，端面處于跑合階段，端面形貌與接觸特性不斷變化[12]，從而使端面溫度也隨之改變。掌握跑合過(guò)程中端面溫度的變化規(guī)律對(duì)了解機(jī)械密封端面間的工作特性，提高端面的跑合質(zhì)量、減輕端面的摩擦磨損具有重要意義。

研究表明[9-13]，機(jī)械密封端面磨損前后的輪廓曲線均具有與尺度無(wú)關(guān)且各向同性的分形特性。分形的原意是不規(guī)則的、分?jǐn)?shù)的、支離破碎的，它是一種具有自相似特性的圖形、現(xiàn)象或者物理過(guò)程等。分形特性是指表面輪廓曲線處處連續(xù)，但不可微，具有統(tǒng)計(jì)自仿射特性。本研究通過(guò)對(duì)機(jī)械密封的跑合試驗(yàn)，得到不同跑合階段的軟質(zhì)環(huán)端面形貌分形參數(shù)，進(jìn)而通過(guò)理論計(jì)算對(duì)機(jī)械密封跑合過(guò)程端面平均溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 計(jì)算模型

1.1 密封端面接觸計(jì)算模型

機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)通常采用一硬一軟兩種材料配對(duì)使用，硬質(zhì)環(huán)端面比軟質(zhì)環(huán)光滑得多，工作時(shí)磨損主要發(fā)生在軟質(zhì)環(huán)端面。為方便分析問(wèn)題，將硬質(zhì)環(huán)與軟質(zhì)環(huán)的端面接觸，簡(jiǎn)化為剛性理想光滑平面與粗糙表面間的接觸[9-14]。機(jī)械密封端面接觸分形模型的表達(dá)式為[13]：

1

(1)

D=1.5

(2)

Kf=1-0.228fc，0≤fc≤0.3；

式中，pc—— 機(jī)械密封端面比壓

E—— 綜合彈性模量

E1，E2—— 硬質(zhì)環(huán)、軟質(zhì)環(huán)材料彈性模量

υ1,υ2—— 硬質(zhì)環(huán)、軟質(zhì)環(huán)材料泊松比

σ2y—— 軟質(zhì)環(huán)材料抗壓屈服強(qiáng)度

G*—— 量綱一特征尺度系數(shù)

G—— 軟質(zhì)環(huán)端面特征尺度系數(shù)

D—— 軟質(zhì)環(huán)端面分形維數(shù)

Aa—— 密封環(huán)帶面積

bm—— 密封端面微凸體承載面積比

Kf—— 摩擦校正系數(shù)

fc—— 微凸體接觸摩擦系數(shù)

ψ—— 分形區(qū)域擴(kuò)展系數(shù)

f(i) —— 中間函數(shù)，i為1～4的整數(shù)

根據(jù)機(jī)械密封端面開(kāi)啟力與閉合力相等的力平衡條件，可得：

pc=ps+(B-Km)p

(3)

式中，ps—— 機(jī)械密封彈簧比壓

B—— 平衡系數(shù)

Km—— 膜壓系數(shù)

p—— 密封介質(zhì)壓力

接觸式機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)端面間處于混合摩擦狀態(tài)時(shí)，膜壓系數(shù)可按式(4)計(jì)算[13-15]：

(4)

式中，ρ—— 液膜密度

n—— 轉(zhuǎn)速

r1，r2—— 密封端面內(nèi)、外半徑

由式(1)～式(4)可求得一定操作參數(shù)和端面形貌下機(jī)械密封端面微凸體承載面積比bm。

1.2 密封端面平均溫度計(jì)算模型

魏龍等[10]將密封環(huán)簡(jiǎn)化為當(dāng)量筒體，推導(dǎo)出了接觸式機(jī)械密封端面平均溫度的計(jì)算式：

(5)

式中，f—— 端面摩擦系數(shù)

pg—— 端面比載荷，pg=ps+pp

vm—— 端面平均線速度

mr，ms—— 動(dòng)、靜環(huán)散熱系數(shù)

λcr,λcs—— 動(dòng)、靜環(huán)材料的等效熱導(dǎo)率

Acr，Acs—— 動(dòng)、靜環(huán)當(dāng)量筒體軸向橫截面積

Lr，Ls—— 動(dòng)、靜環(huán)當(dāng)量筒體長(zhǎng)度

Tf—— 密封腔內(nèi)密封介質(zhì)平均溫度

式(5)中相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

端面摩擦系數(shù)f可由下式計(jì)算得出[10-11]：

(6)

式中，μm—— 液膜動(dòng)力黏度

φc—— 接觸因子

液膜動(dòng)力黏度μm可根據(jù)密封端面平均溫度Tm確定。μm與Tm之間的關(guān)系采用Reynolds黏溫公式：

μm=μ0e-α(Tm-T0)

(7)

式中，μ0—— 液膜在溫度T0時(shí)的動(dòng)力黏度

α—— 黏溫系數(shù)

密封介質(zhì)為水時(shí)取α=0.0175 ℃-1。

接觸因子φc反映了密封端面實(shí)際的粗糙形貌對(duì)液膜黏性摩擦的影響，可由下式計(jì)算[16]:

(8)

式中，χ—— 膜厚比

機(jī)械密封端面膜厚比的分形表達(dá)式為[10]：

lrD-2ψ-(2-D)2/4Aa(2-D)/2(1-bm)(4-D)/2

(9)

式中，lr—— 實(shí)際測(cè)量端面形貌時(shí)的取樣長(zhǎng)度

由式(5)～式(7)可知，接觸式機(jī)械密封端面平均溫度Tm與摩擦系數(shù)f是相互影響的，需采用試算法進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 端面平溫度計(jì)算流程

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)裝置與測(cè)量?jī)x器

試驗(yàn)是在自主研制的機(jī)械密封計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)機(jī)[17]上進(jìn)行的，試驗(yàn)機(jī)組成如圖2所示。

密封端面形貌采用AF-LI型觸針式表面形貌儀測(cè)量。為減小端面形貌的測(cè)量誤差，初始及每一階段實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)軟質(zhì)環(huán)端面沿周向均勻分布的4處分別進(jìn)行測(cè)量，對(duì)這4處的測(cè)量結(jié)果取平均值。測(cè)量時(shí)，取樣長(zhǎng)度為1.25 mm。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)與試驗(yàn)方法

1) 試件

試件為內(nèi)流式部分平衡型機(jī)械密封，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。試件機(jī)械密封的動(dòng)環(huán)為鑲嵌式硬質(zhì)環(huán)，面環(huán)材料為硬質(zhì)合金YG8，座環(huán)材料為301不銹鋼；靜環(huán)為整體式軟質(zhì)環(huán)，材料為碳石墨M106K。密封環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，性能參數(shù)如表2所示。按文獻(xiàn)[10]的方法，將密封環(huán)簡(jiǎn)化為當(dāng)量筒體后的相關(guān)參數(shù)如表3所示。

1.手輪 2.絲桿 3.拖板 4.密封腔 5.試驗(yàn)介質(zhì)入口閥 6.試驗(yàn)介質(zhì)出口閥 7.軸套 8.放空閥 9.機(jī)械密封 10.靜環(huán)座 11.測(cè)漏點(diǎn) 12.密封腔后端蓋 13、16.軸承 14.底座 15.主軸 17、18.聯(lián)軸器 19.電動(dòng)機(jī) 20.冷卻器 21.循環(huán)泵 22.穩(wěn)壓罐 23.氮?dú)馄?24.轉(zhuǎn)速扭矩傳感器 25.位移傳感器 26.測(cè)漏傳感器 27.力測(cè)量傳感器 28.介質(zhì)溫度傳感器 29.介質(zhì)壓力傳感器 30.信號(hào)調(diào)理器及采集卡 31.計(jì)算機(jī) 注：閥5和閥6實(shí)際位置在密封腔側(cè)面圖2 機(jī)械密封試驗(yàn)機(jī)組成示意圖

1、4.輔助密封圈 2.靜環(huán) 3.動(dòng)環(huán) 5.密封墊圈 6.推環(huán) 7.彈簧 8.傳動(dòng)座圖3 試件結(jié)構(gòu)

表1 密封環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

2) 試驗(yàn)參數(shù)

采用2套試件在2種彈簧比壓下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)密封介質(zhì)為清水，循環(huán)量為qx=5×10-4m3·s-1，試驗(yàn)參數(shù)如表4所示。

表2 密封環(huán)的性能參數(shù)

表3 密封環(huán)當(dāng)量筒體的相關(guān)參數(shù)

表4 試驗(yàn)參數(shù)

3) 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前測(cè)量軟質(zhì)環(huán)端面輪廓，然后將密封試件安裝于試驗(yàn)裝置中，調(diào)整好試驗(yàn)參數(shù)，開(kāi)機(jī)試驗(yàn)。運(yùn)行一段時(shí)間后停機(jī)，將密封試件取出并擦凈，對(duì)軟質(zhì)環(huán)端面輪廓進(jìn)行測(cè)量。重復(fù)以上步驟。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)得到的機(jī)械密封軟質(zhì)環(huán)端面分形參數(shù)D和G與運(yùn)行時(shí)間t的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可知，初始階段，端面分形維數(shù)D較小、特征尺度系數(shù)G較大，端面比較粗糙；隨著跑合過(guò)程的進(jìn)行，D增大、G減小，端面趨于光滑。在前10 h的運(yùn)行初期，D和G值的變化幅度較大，之后隨著跑合過(guò)程的進(jìn)行，D和G值的變化幅度逐漸減小。跑合過(guò)程結(jié)束，進(jìn)入正常磨損階段后，D和G值變化很小，處于較穩(wěn)定的值。

圖4 分形參數(shù)與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系曲線

3 跑合過(guò)程端面平均溫度預(yù)測(cè)

根據(jù)試驗(yàn)得到的軟質(zhì)環(huán)端面分形參數(shù)D、G值，由式(1)～式(9)計(jì)算，可預(yù)測(cè)出跑合過(guò)程密封端面平均溫度Tm的變化規(guī)律，如圖5所示。由于啟動(dòng)升速過(guò)程時(shí)間很短，在預(yù)測(cè)時(shí)忽略了啟動(dòng)過(guò)程端面平均溫度的變化。

圖5 密封端面跑合過(guò)程平均溫度預(yù)測(cè)值

圖5表明，隨著跑合過(guò)程的進(jìn)行，密封端面平均溫度Tm不斷增大。對(duì)比圖4和圖5可知，在跑合初期的前10 h，隨著密封端面分形維數(shù)D的迅速增大、特征尺度系數(shù)G的迅速減小，端面平均溫度Tm迅速增大；之后隨著D和G的變化幅度逐漸減小，Tm的增大幅度也逐漸減??；當(dāng)試件1運(yùn)行約240 h后，試件2運(yùn)行約200 h后，D，G和Tm均處于較穩(wěn)定的值，密封端面變得很光滑，跑合過(guò)程結(jié)束。

跑合過(guò)程中密封端面平均溫度的增大是由于密封端面不斷趨于光滑，端面間微凸體的接觸面積增大，接觸面上的微空穴體積變小，端面間的液膜厚度減小，端面間的摩擦熱增大所致。

由預(yù)測(cè)值可知，啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，轉(zhuǎn)速達(dá)到正常轉(zhuǎn)速時(shí)，1，2試件的端面平均溫度分別為35.4 ℃和35.2 ℃，進(jìn)入正常磨損階段后，1，2試件的端面平均溫度分別穩(wěn)定在40.3 ℃和40.5 ℃上下。對(duì)比2個(gè)試件的溫度變化可知，彈簧比壓大，跑合期短，溫度升高值及最終達(dá)到的穩(wěn)定值也大，但相差的幅度不大。這也表明，密封端面形貌的變化對(duì)端面平均溫度的影響較大，而彈簧比壓對(duì)端面平均溫度的影響相對(duì)較小。

4 結(jié)論

(1) 由于實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的接觸式機(jī)械密封端面的形貌是動(dòng)態(tài)變化的，即密封端面分形維數(shù)和特征尺度系數(shù)是時(shí)變的，故密封端面的溫度也是時(shí)變的?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)量密封端面分形維數(shù)和特征尺度系數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)密封端面溫度;

(2) 接觸式機(jī)械密封工作過(guò)程中密封端面平均溫度受端面形貌的影響較大。在跑合的初期，隨著密封端面分形維數(shù)D的迅速增大、特征尺度系數(shù)G的迅速減小，端面平均溫度Tm迅速增大；之后D和G的變化幅度逐漸減小，Tm的增大幅度也逐漸減?。慌芎线^(guò)程結(jié)束后，D，G和Tm均處于較穩(wěn)定的值;

(3) 彈簧比壓大，跑合期短，密封端面平均溫度升高值及最終達(dá)到的穩(wěn)定值也大，但與密封端面形貌的變化對(duì)端面平均溫度的影響相比，彈簧比壓對(duì)端面平均溫度的影響度較小。