亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        考慮密封環(huán)材料屬性和表面形貌干氣密封啟停階段的動(dòng)態(tài)接觸特性分析

        2021-08-31 06:59:52孫雪劍宋鵬云毛文元鄧強(qiáng)國許恒杰陳維
        化工學(xué)報(bào) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:變形

        孫雪劍,宋鵬云,毛文元,鄧強(qiáng)國,許恒杰,陳維

        (1昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院,云南昆明 650500;2昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,云南昆明 650500)

        引 言

        干氣密封是離心式壓縮機(jī)等旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主流密封裝置,是起核心關(guān)鍵作用的零部件。在啟動(dòng)時(shí),干氣密封端面處于接觸狀態(tài),當(dāng)轉(zhuǎn)速超過某臨界值后,密封端面脫離接觸。此外,在實(shí)際運(yùn)行過程中,隨著工況的波動(dòng)或干擾的變化等,兩密封環(huán)之間還可能發(fā)生接觸摩擦。密封端面的接觸可分為動(dòng)態(tài)接觸和靜態(tài)接觸。靜態(tài)接觸是靜止?fàn)顟B(tài)下的接觸或無擾動(dòng)狀態(tài)下的接觸;動(dòng)態(tài)接觸則是運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的接觸,或存在擾動(dòng)狀態(tài)的接觸。當(dāng)擾動(dòng)頻率很小時(shí)動(dòng)態(tài)接觸可演變成靜態(tài)接觸。干氣密封在啟動(dòng)和停車階段或穩(wěn)定運(yùn)行過程中的碰摩動(dòng)態(tài)接觸[1-2],大大降低了密封系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,甚至可能導(dǎo)致摩擦自激振動(dòng)[3-4],引起密封失效。因此探究干氣密封的動(dòng)態(tài)接觸特性,對判斷干氣密封啟停過程的穩(wěn)定性及預(yù)測干氣密封摩擦自激振動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)揮著重要作用。

        關(guān)于干氣密封動(dòng)態(tài)過程研究,一些研究人員[5-7]對多種槽型干氣密封進(jìn)行了數(shù)值分析,研究了不同槽型結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封動(dòng)態(tài)性能的影響,為干氣密封的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。Chen等[8]通過搭建干氣密封實(shí)驗(yàn)臺,對螺旋槽干氣密封的瞬態(tài)膜厚和泄漏率進(jìn)行測試,驗(yàn)證了基于攝動(dòng)法動(dòng)態(tài)理論研究的有效性。隨著干氣密封向高壓高轉(zhuǎn)速的極端工況領(lǐng)域邁進(jìn),密封中氣體介質(zhì)的物理特性成為不可忽略的因素。多位研究人員[9-12]考慮氣體的實(shí)際氣體效應(yīng)和阻塞流效應(yīng)、慣性效應(yīng)、滑移流效應(yīng)等,分析了多種特殊氣體效應(yīng)對干氣密封動(dòng)態(tài)特性的影響。江錦波等[13]將超臨界二氧化碳?xì)怏w物性參數(shù)及流動(dòng)狀態(tài)等多變量進(jìn)行耦合,分析了相關(guān)特性對超臨界二氧化碳干氣密封的動(dòng)態(tài)剛度、阻尼系數(shù)的影響。當(dāng)前關(guān)于干氣密封動(dòng)態(tài)特性的研究主要集中在微擾情況下氣膜的動(dòng)態(tài)特性,對于啟停階段密封環(huán)的動(dòng)態(tài)接觸特性研究還鮮見報(bào)道。

        干氣密封啟停階段的動(dòng)態(tài)接觸特性是在結(jié)合面微觀接觸理論的基礎(chǔ)上開展的,當(dāng)前微觀接觸模型主要分為分形接觸模型[14-16]、統(tǒng)計(jì)學(xué)接觸模型和有限元接觸模型[17]。而統(tǒng)計(jì)學(xué)接觸模型是認(rèn)可度較高并廣泛得到應(yīng)用的接觸模型。1966年Greenwood等[18]根據(jù)赫茲彈性接觸理論提出了經(jīng)典的GW接觸模型,并指出表面形貌對接觸特性有著很大的影響,該模型被廣泛應(yīng)用于機(jī)械密封接觸特性的研究[19-21]。隨后在GW模型的基礎(chǔ)上考慮微凸體彈塑性變形的CEB模型[22]、KE模型[23]等經(jīng)典接觸模型被相繼提出,并在機(jī)械密封領(lǐng)域得到應(yīng)用[24-26]。然而對于微凸體彈塑性狀態(tài)的判定,無論是CEB模型的最大接觸壓力達(dá)到材料硬度HB值的0.6倍時(shí)開始屈服,還是KE模型的平均接觸壓力等于材料屈服強(qiáng)度的2.8倍時(shí)進(jìn)入全塑性變形,均是來自于Tabor對鋁、銅、低碳鋼等金屬材料的球形壓痕實(shí)驗(yàn)所總結(jié)出的結(jié)論[27-28]。干氣密封的動(dòng)靜環(huán)常用硬(碳化硅陶瓷)-軟(高強(qiáng)度石墨)的配對方式,碳化硅的硬度大于石墨,接觸變形主要發(fā)生在石墨環(huán)。盡管大量石墨材料的性能測試實(shí)驗(yàn)[29-31]證明了石墨材料存在塑性變形,機(jī)理是物體被微觀的裂縫所切割,整體不失去連續(xù)性,宏觀上顯示出塑性變形的特征,但石墨仍然是傳統(tǒng)意義上的脆性材料。其彈性變形、塑性變形的臨界參數(shù)與金屬材料有一定的差別。因此密封環(huán)材料的屬性和真實(shí)表面形貌不容忽視。

        本文根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)接觸理論和等效阻尼思想,考慮微凸體的彈性變形和塑性變形,通過石墨密封環(huán)在文獻(xiàn)加載實(shí)驗(yàn)[32]中的應(yīng)力應(yīng)變特性對微凸體的臨界變形參數(shù)進(jìn)行修正,推導(dǎo)出適用于干氣密封干摩擦界面的法向動(dòng)態(tài)接觸剛度和法向動(dòng)態(tài)接觸阻尼的解析模型。與此同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)測得密封環(huán)真實(shí)表面形貌,確定接觸模型的初始參數(shù),探究干氣密封端面發(fā)生接觸時(shí)法向動(dòng)態(tài)接觸剛度和法向動(dòng)態(tài)接觸阻尼等參數(shù)的變化規(guī)律和影響因素。

        1 端面接觸模型確定

        干氣密封的基本結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。動(dòng)靜環(huán)配對有兩種模式:一種是硬-硬配對;另一種是硬-軟配對。常用的硬環(huán)材料是碳化鎢硬質(zhì)合金或碳化硅陶瓷,軟環(huán)材料是高強(qiáng)度石墨。這里考慮常見的碳化硅和石墨配對情況,即硬-軟配對。旋轉(zhuǎn)環(huán)(動(dòng)環(huán))為碳化硅,非旋轉(zhuǎn)環(huán)(靜環(huán))為石墨。密封環(huán)表面并非光滑平面,實(shí)際是由大量的微凸體所構(gòu)成,如圖1(b)所示,真實(shí)接觸過程是微凸體之間的作用。動(dòng)靜環(huán)的半徑尺寸并非相同,發(fā)生接觸時(shí)名義接觸面積以較小尺寸的靜環(huán)為準(zhǔn),因此可以將其看成兩個(gè)等半徑的圓環(huán),如圖1(c)所示。

        圖1 干氣密封結(jié)構(gòu)及密封環(huán)微觀表面Fig.1 The structure of the dry gasseal and the microscopic surface of sealing rings

        1.1 單個(gè)微凸體接觸參數(shù)

        由于碳化硅的硬度大于石墨,接觸變形主要發(fā)生在石墨環(huán)上。因此采用GT模型[33]假設(shè),將結(jié)合面等效為光滑剛性平面和粗糙平面的接觸,認(rèn)為硬度較高的動(dòng)環(huán)為剛性平面,硬度較低的靜環(huán)為粗糙平面。在此基礎(chǔ)上本模型基于以下幾點(diǎn)假設(shè):(1)微凸體之間相距較遠(yuǎn),不考慮其相互作用;(2)摩擦副配對材料表面各向同性;(3)微凸體峰頂曲率半徑相同;(4)接觸過程基體不變形,僅有微凸體變形;(5)微凸體法向接觸與切向摩擦相互獨(dú)立。

        兩端面接觸示意圖如圖2(a)所示。單個(gè)微凸體與剛性平面接觸前后,半球形微凸體頂部發(fā)生變形情況如圖2(b)所示。董沫辰等[32]對石墨環(huán)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn),并得獲得了應(yīng)力應(yīng)變特性,如圖2(c)所示,其中ε1為2.87%,ε2為3.26%。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)應(yīng)變ε<ε1時(shí),法向應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系是線性的,根據(jù)赫茲彈性理論[34],此時(shí)認(rèn)為密封環(huán)發(fā)生彈性變形;當(dāng)ε2≤ε≤ε1時(shí),應(yīng)力不隨應(yīng)變而變化或者變化浮動(dòng)較小,根據(jù)Abbott and Firestone塑性接觸理論[35]此時(shí)發(fā)生塑性變形;當(dāng)ε>ε2時(shí),隨著應(yīng)變的增加,應(yīng)力迅速下降,此時(shí)密封環(huán)發(fā)生明顯斷裂失效。

        圖2中z為結(jié)合面微凸體的高度;d為剛性平面與微凸體高度平均線的間距;h為剛性平面與粗糙表面高度平均線的距離;ys為微凸體高度平均線和表面平均高度線的距離;R為微凸體的峰頂曲率半徑;單個(gè)微凸體法向變形量[18]:

        圖2 干氣密封端面接觸及微凸體變形示意圖[32,35]Fig.2 End face contact of the dry gas seal and deformation of asperity[32,35]

        基于文獻(xiàn)[32]實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本文假設(shè)石墨環(huán)上單個(gè)微凸體的應(yīng)力應(yīng)變特性與石墨環(huán)整體的應(yīng)力應(yīng)變特性相同,即

        其中,ΔL為密封環(huán)的法向變形量,L為密封環(huán)原始厚度,R為微凸體原始高度。彈性變形的臨界法向變形量ζ1,塑性變形的臨界法向變形量ζ2分別為:

        單個(gè)微凸體在彈性接觸階段(ζ<ζ1),根據(jù)赫茲彈性理論[34],其平均接觸壓力Pt、接觸面積At、靜態(tài)接觸剛度Kt公式如下:

        式中,E為等效彈性模量;當(dāng)ζ2≥ζ≥ζ1時(shí),微凸體從原來的彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?,單個(gè)微凸體在塑性變形階段平均接觸壓力Ps為:

        根據(jù)Abbott and Firestone塑性接觸理論[35],此時(shí)接觸面積As為:

        塑性變形微凸體靜態(tài)接觸剛度Ks為:

        當(dāng)ζ>ζ2時(shí),微凸體整體失去連續(xù)性變形,發(fā)生斷裂失效,法向應(yīng)力快速下降,表現(xiàn)出脆性材料的特性,這與金屬材料有所不同。

        1.2 干氣密封實(shí)際接觸界面參數(shù)

        假設(shè)密封環(huán)表面的微凸體分布方式滿足高斯分布,微凸體高度分布的概率密度表達(dá)式[18]為:

        干氣密封接觸界面上微凸體數(shù)量為:

        其中,η為單位面積上微凸體的面積密度,N1、N2、N3分別為密封環(huán)表面上發(fā)生彈性變形、塑性變形和斷裂失效的微凸體數(shù)量。根據(jù)干氣密封實(shí)際情況,接觸壓力應(yīng)小于等于最大端面比壓[36],通過計(jì)算發(fā)現(xiàn),發(fā)生斷裂失效的微凸體數(shù)量小于微凸體總數(shù)量的0.073%。由于發(fā)生斷裂失效的微凸體數(shù)量較少且力學(xué)特性較為復(fù)雜,參考金屬材料微觀接觸特性的處理方法[35]。計(jì)算時(shí)將斷裂部分的微凸體假設(shè)為塑性變形進(jìn)行計(jì)算,即

        其中,An為名義接觸面積。密封環(huán)結(jié)構(gòu)模型如圖3所示,ri、ro為密封環(huán)的內(nèi)外半徑,rg為槽根處的半徑,α為螺旋角,Ng為槽數(shù),h0為開啟后兩密封環(huán)的間隙。當(dāng)端面發(fā)生接觸時(shí),槽區(qū)部分并未接觸,密封環(huán)名義接觸面積An為非槽區(qū)面積。當(dāng)槽臺比為1時(shí),An的表達(dá)式為:

        圖3 干氣密封端面結(jié)構(gòu)及密封環(huán)接觸位置Fig.3 End face structure of the dry gas seal and contact position of seal rings

        密封環(huán)接觸界面的實(shí)際接觸面積表達(dá)式為:

        其中,Atr為彈性變形微凸體真實(shí)接觸面積;Asr為塑性變形微凸體真實(shí)接觸面積。密封端面接觸力為:

        其中,F(xiàn)tr為彈性變形微凸體實(shí)際接觸力;Fsr為塑性變形微凸體實(shí)際接觸力。密封端面靜態(tài)接觸剛度表達(dá)式為:

        其中,Ktr為彈性變形微凸體靜態(tài)接觸剛度;Ksr為塑性變形微凸體靜態(tài)接觸剛度。

        1.3 干氣密封動(dòng)態(tài)接觸剛度模型

        在密封環(huán)法向靜態(tài)接觸的基礎(chǔ)上施加微小的位移擾動(dòng),此時(shí)產(chǎn)生的靜態(tài)剛度和微擾剛度之和組成了法向動(dòng)態(tài)接觸剛度。但發(fā)生塑性變形的微凸體是不可恢復(fù)的,其平均接觸壓力不隨法向位移ζ而變化[35]。因此塑性變形的微凸體無動(dòng)態(tài)微擾剛度。整個(gè)結(jié)合面動(dòng)態(tài)接觸剛度是由彈性變形微凸體的動(dòng)態(tài)接觸剛度Kdr和塑性變形微凸體的靜態(tài)接觸剛度Ksr所組成。彈性變形微凸體某一時(shí)刻總變形量表達(dá)式為:

        其中,X0sin(ωt)為動(dòng)環(huán)簡諧動(dòng)態(tài)位移;X0為位移振幅;ω振動(dòng)頻率;T為振動(dòng)周期;ω=1/T。根據(jù)泰勒展開式并略去二階和高階項(xiàng),彈性變形的微凸體動(dòng)態(tài)接觸壓力[37]為:

        彈性變形的微凸體動(dòng)態(tài)接觸剛度為:

        干氣密封實(shí)際接觸界面在一個(gè)簡諧振動(dòng)周期內(nèi)的平均動(dòng)態(tài)接觸剛度為:

        1.4 干氣密封動(dòng)態(tài)接觸阻尼模型

        干氣密封接觸界面的法向等效黏性阻尼[38],即在一個(gè)激振周期內(nèi)微凸體經(jīng)歷了加載和卸載的過程,彈性變形的微凸體卸載后可以完全恢復(fù),而塑性變形的微凸體則無法恢復(fù),轉(zhuǎn)化成能量消耗。這種能耗機(jī)理是產(chǎn)生結(jié)合面接觸阻尼的主要原因。根據(jù)等效阻尼思想其機(jī)械能表達(dá)式[39]為:

        其中,En為塑性微凸體變形消耗的機(jī)械能。動(dòng)態(tài)接觸阻尼表達(dá)式[37]為:

        2 實(shí)驗(yàn)確定接觸表面形貌參數(shù)

        統(tǒng)計(jì)學(xué)接觸模型是在微觀表面形貌基礎(chǔ)上建立的,不同界面的表面形貌對接觸特性的影響有著很大差別,為了探究干氣密封接觸界面的真實(shí)特性,采用表面輪廓儀對動(dòng)靜環(huán)表面形貌進(jìn)行實(shí)際測量。

        2.1 粗糙表面統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)表達(dá)理論

        干氣密封動(dòng)靜環(huán)表面形貌檢測原理是根據(jù)McCool[40]提出的理論,通過測得粗糙表面輪廓的均方根偏差Rq和均方根斜率差Rdq來表征粗糙表面的輪廓譜函數(shù),然后通過表面的輪廓譜函數(shù)求出輪廓譜函數(shù)的譜矩,進(jìn)而求出密封環(huán)真實(shí)形貌下的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù),表面輪廓的譜函數(shù)s(l)為:

        其中,l為各種表面粗糙峰(輪廓高度)出現(xiàn)的頻率;τ稱為譜指數(shù)[41];c為比例常數(shù)(通過零、二階譜矩聯(lián)立求得);粗糙表面輪廓譜函數(shù)s(l)的n階譜矩表達(dá)式為:

        其中,l1為表面輪廓高度分布的較低頻率,l1=1/jr=0.004μm-1;l2為表面輪廓高度分布的較高頻率,是由表面輪廓儀的觸針半徑確定,l2=1/r=0.5μm-1。將式(23)代入式(24)中,可得到粗糙表面輪廓譜函數(shù)的零階矩δ0、二階矩δ2和四階矩δ4的表達(dá)式[40]。表面輪廓儀可以測量密封環(huán)端面的輪廓均方根偏差Rq和均方根斜率差Rdq,它們與粗糙表面輪廓譜函數(shù)的零、二階矩(δ0和δ2)有關(guān)。

        其中,輪廓均方根偏差Rq也常用σ進(jìn)行表達(dá)。通過實(shí)驗(yàn)獲得Rq和Rdq的測量值,則動(dòng)、靜環(huán)粗糙表面輪廓譜矩之和為:

        式中,下角標(biāo)s和r分別代表靜環(huán)和動(dòng)環(huán)。通過式(26)求得表面輪廓譜零階矩δ0、二階矩δ2和四階矩δ4,進(jìn)而可以得到剛性平面與微凸體高度平均線的間距d[42]、帶寬參數(shù)α[42]、微凸體高度平均線和輪廓表面平均高度線之間的距離ys[42]、粗糙表面微凸體高度分布的標(biāo)準(zhǔn)差σs[20]、微凸體峰頂曲率半徑R[42]和微凸體面積密度η[43]等相關(guān)參數(shù),分別為:

        其中,R、η是統(tǒng)計(jì)學(xué)接觸模型中的重要參數(shù)[18]。

        2.2 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果

        圖4(a)為表面輪廓儀對密封環(huán)表面形貌參數(shù)的測試裝置及曲線,實(shí)驗(yàn)設(shè)備為粗糙度輪廓儀測定一體機(jī)(SEF680),測量范圍Z=50 mm,X=100 mm,其觸針半徑r為2μm,取樣長度jr為0.25 mm。

        實(shí)驗(yàn)靜環(huán)材質(zhì)為碳石墨,動(dòng)環(huán)材質(zhì)為碳化硅。設(shè)置測定速度0.2 mm/s、評估長度jn=5jr=1.25 mm。在靜環(huán)和動(dòng)環(huán)端面上隨機(jī)選擇10個(gè)位置,每個(gè)位置測兩次后取平均值,得到靜環(huán)和動(dòng)環(huán)表面粗糙度的典型輪廓曲線如圖4(b)所示。測得動(dòng)靜環(huán)表面10個(gè)不同位置的表面輪廓均方根偏差Rq和均方根斜率Rdq數(shù)據(jù)及相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)[21]如表1所示。從表中可以看出,當(dāng)前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)最大相對誤差僅為8.47%,整體較為吻合。數(shù)值上的偏差是因?yàn)槊芊猸h(huán)微觀表面并非均勻,測試位置不同結(jié)果會略有不同。因此需要多組數(shù)據(jù)取平均值的方法來降低因測量帶來的誤差。

        表1 均方根偏差和均方根斜率差的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Experimental data of root mean square deviation and root mean square slope

        圖4 實(shí)驗(yàn)測試裝置及表面輪廓測試曲線Fig.4 The experimental device and the test curve of surface profile

        3 結(jié)果討論與分析

        干氣密封環(huán)材料特性參數(shù)和密封環(huán)幾何尺寸參數(shù)[44-46]如表2所示。

        表2 計(jì)算模型結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)Table 2 Structure parameters and material parameters of the model

        3.1 模型驗(yàn)證

        端面接觸力是接觸性能分析的重要參數(shù),無論動(dòng)態(tài)接觸剛度還是動(dòng)態(tài)接觸阻尼均是在接觸力的基礎(chǔ)上求解的。為了驗(yàn)證本文模型的準(zhǔn)確性,對當(dāng)前模型接觸力計(jì)算結(jié)果與經(jīng)典接觸模型[18,22-23,47]結(jié)果進(jìn)行對比,其中經(jīng)典模型所需的初始參數(shù)值如塑性指數(shù)、最大接觸壓力因子等來自于表2。各模型整體變化趨勢如圖5所示??梢姳疚慕Y(jié)果與各經(jīng)典模型整體趨勢一致,且與GW模型更為接近。這也驗(yàn)證了McCool[43]的結(jié)論,即GW模型對脆性材料接觸特性的判斷有較好的準(zhǔn)確性。

        圖5 接觸力模型正確性驗(yàn)證Fig.5 Model verification of contact force

        3.2 端面接觸比壓對動(dòng)態(tài)接觸特性的影響

        在干氣密封啟停階段,端面接觸比壓Pb(單位名義接觸面積的接觸壓力),即密封端面接觸力Fm與端面名義接觸面積An的比值,是端面承載能力的重要組成部分,端面接觸比壓的變化直接影響動(dòng)態(tài)接觸特性?;诘湫透蓺饷芊舛嗣姹葔悍秶鶾36],進(jìn)行其影響動(dòng)態(tài)接觸特性規(guī)律分析。剛性光滑平面與粗糙表面高度平均線之間的距離h、實(shí)際接觸面積Am隨接觸比壓Pb的變化特性如圖6所示。h隨接觸比壓的增大而變小,當(dāng)接觸比壓較小時(shí)h的變化幅度較大,隨著接觸比壓增大,h變化幅度減小。這是因?yàn)閮擅芊猸h(huán)剛開始接觸時(shí),發(fā)生接觸的微凸體個(gè)數(shù)較少,單個(gè)微凸體所受的法向接觸比壓較大,因此整體變形較為明顯;隨著接觸比壓增加,發(fā)生接觸的微凸體個(gè)數(shù)增多,受力分散整體形變減緩。接觸比壓增大,導(dǎo)致發(fā)生變形的微凸體數(shù)目增多,進(jìn)而接觸面積隨之增大。微凸體峰頂曲率半徑是判斷接觸特性的重要指標(biāo),曲率半徑較小時(shí)微凸體抵抗接觸比壓的能力較弱,容易產(chǎn)生較大的變形,此時(shí)微凸體更容易進(jìn)入塑性變形;曲率半徑較大時(shí),微凸體抵抗變形能力隨之增強(qiáng),塑性變形開始減少。其中R=1.707μm來自于文獻(xiàn)[25],R=3.655 μm為本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出剛性光滑平面與粗糙表面高度平均線之間的距離h和實(shí)際接觸面積Am均隨曲率半徑增大而增大。

        圖6 接觸比壓對光滑平面與粗糙表面高度平均線之間的距離h和實(shí)際接觸面積Am的影響Fig.6 The effect of contact pressure on separation based on surface heights(h)and real contact area(Am)

        圖7(a)為微擾頻率ω=40 Hz、微擾振幅X0=0.02 μm時(shí),密封環(huán)端面法向靜態(tài)接觸剛度和動(dòng)態(tài)接觸剛度隨接觸比壓變化特性圖。靜態(tài)接觸剛度和動(dòng)態(tài)接觸剛度均隨接觸比壓、曲率半徑的增大而增大。相同曲率半徑條件下的法向動(dòng)態(tài)接觸剛度和靜態(tài)接觸剛度整體變化趨勢較為接近,說明接觸比壓對動(dòng)靜態(tài)接觸剛度的影響遠(yuǎn)大于曲率半徑的影響。為了更好地觀察法向動(dòng)靜態(tài)接觸剛度的不同,將相同接觸比壓條件下,動(dòng)靜態(tài)剛度的差值繪制如圖7(b)所示。動(dòng)、靜態(tài)接觸剛度之間的差值隨接觸比壓和曲率半徑的增大而增大。當(dāng)微凸體曲率半徑較大時(shí),微凸體抵抗變形能力較強(qiáng),接觸狀態(tài)以彈性變形為主,動(dòng)態(tài)剛度的增量較大。當(dāng)曲率半徑較小時(shí),微凸體抵抗變形的能力較弱,部分微凸體進(jìn)入了塑性變形,此時(shí)的微凸體只有靜態(tài)剛度[35],因此動(dòng)、靜態(tài)剛度差減小。

        圖7 接觸比壓對動(dòng)靜態(tài)接觸剛度的影響Fig.7 The effect of contact pressure on dynamic contact stiffnessand static contact stiffness

        干氣密封法向動(dòng)態(tài)接觸阻尼隨接觸比壓的變化特性如圖8所示。法向動(dòng)態(tài)接觸阻尼隨接觸比壓的增大而增大,其增長速率隨曲率半徑的減小而增大。當(dāng)曲率半徑為5.0μm時(shí),阻尼非常小,且接觸比壓對其的影響較弱。這是因?yàn)榍拾霃捷^大時(shí),端面接觸絕大部分為彈性變形,在加載和卸載的過程中,彈性變形的微凸體幾乎可以完全恢復(fù),并沒有能量的損耗,進(jìn)而阻尼趨于零。隨著曲率半徑的減小,微凸體表面由彈性變形向塑性變形轉(zhuǎn)變,這會導(dǎo)致塑性變形的微凸體無法卸載還原,產(chǎn)生能量的消耗,進(jìn)而產(chǎn)生接觸阻尼。隨著接觸比壓增大剛性平面與粗糙表面的間隙變小,接觸界面的微凸體數(shù)目增多,消耗的能量增大,阻尼也隨之增大。

        圖8 接觸比壓對動(dòng)態(tài)接觸阻尼的影響Fig.8 The effect of contact pressure on dynamic contact damping

        干氣密封啟停階段處于變轉(zhuǎn)速工況,根據(jù)干氣密封運(yùn)行特點(diǎn),該階段密封環(huán)間距隨轉(zhuǎn)速的升高而增大,隨轉(zhuǎn)速的降低而減小。轉(zhuǎn)速的變化直接影響密封環(huán)間距的變化,進(jìn)而影響動(dòng)態(tài)接觸特性的變化。啟停脫開轉(zhuǎn)速膜厚對動(dòng)態(tài)接觸特性的影響規(guī)律如圖9所示??梢钥闯?,當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí),密封環(huán)間距最小,接觸比壓最大,此時(shí)參與接觸的彈性微凸體和塑性微凸體的數(shù)目最多,進(jìn)而導(dǎo)致此時(shí)動(dòng)態(tài)接觸剛度和接觸阻尼為整個(gè)階段的最大值,隨著轉(zhuǎn)速的升高,密封環(huán)間距開始增大,參與接觸的微凸體數(shù)目開始減少,動(dòng)態(tài)接觸剛度和接觸阻尼呈類指數(shù)下降,當(dāng)超過50%臨界脫開轉(zhuǎn)速膜厚時(shí),動(dòng)態(tài)接觸剛度和阻尼變化極其微弱,原因在于隨著密封環(huán)間距的增大,微凸體接觸數(shù)目減小,只有較高的微凸體參與接觸,當(dāng)前模型認(rèn)為端面微凸體高度呈高斯分布,雖然存在較高的微凸體但數(shù)目極其少,因此超過50%臨界脫開轉(zhuǎn)速膜厚時(shí)動(dòng)態(tài)接觸特性變化微弱。由此可見,在脫開轉(zhuǎn)速膜厚對動(dòng)態(tài)接觸特性的影響中,需重點(diǎn)考慮前50%臨界脫開轉(zhuǎn)速膜厚。

        圖9 脫開轉(zhuǎn)速膜厚對動(dòng)態(tài)接觸特性的影響Fig.9 The filmthickness of separation speed effect on dynamic contact

        3.3 表面形貌參數(shù)對端面動(dòng)態(tài)接觸特性的影響

        圖10為動(dòng)態(tài)接觸剛度、阻尼隨表面形貌參數(shù)的變化特性,其中面積密度η、微凸體高度平均線和表面輪廓平均高度線的距離ys的參數(shù)范圍參考文獻(xiàn)[25]及當(dāng)前實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出,動(dòng)態(tài)接觸剛度和動(dòng)態(tài)接觸阻尼隨面積密度η、微凸體高度平均線和表面輪廓平均高度線的距離ys的增大而增大,但兩者單位在同一量級時(shí),動(dòng)態(tài)接觸剛度的變化更為明顯,接觸阻尼的變化顯得微乎其微,這也間接證明了當(dāng)前整個(gè)結(jié)合面以彈性接觸為主,微擾情況下端面的動(dòng)態(tài)特性以動(dòng)態(tài)接觸剛度為主。ys的增大意味著剛性平面與粗糙平面的距離變小,此時(shí)微凸體的接觸數(shù)目增多,與此同時(shí)一些原來發(fā)生彈性變形的微凸體轉(zhuǎn)化成塑性變形,這導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)接觸剛度和阻尼的同時(shí)增大,如圖10(b)所示。粗糙度Ra[48]是表面形貌中的重要參數(shù),對于高斯粗糙表面有σ=1.25Ra[49],表面輪廓均方根偏差σ某種意義上可以表示接觸表面的粗糙度Ra,參考機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《干氣密封技術(shù)條件》(JB/T 11289—2012)中要求硬環(huán)表面粗糙度Ra不大于0.1μm,軟環(huán)表面粗糙度Ra不大于0.2μm的原則,選取σ小于0.25μm的范圍分析其對動(dòng)態(tài)接觸特性的影響,如10(c)所示。從圖中可以看出,動(dòng)態(tài)接觸剛度和接觸阻尼隨表面輪廓均方根偏差的增大呈類指數(shù)增長,其中動(dòng)態(tài)接觸阻尼增幅更為明顯。這是因?yàn)棣以酱蟊砻娲植诙萊a越大,接觸界面微凸體的峰谷差越大,相同的接觸比壓情況下微凸體更容易發(fā)生塑性變形,進(jìn)而導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)接觸阻尼的增大。

        圖10 表面形貌參數(shù)對動(dòng)態(tài)接觸剛度、阻尼的影響Fig.10 The effect of surface-topography parameterson dynamic contact stiffness and dynamic contact damping

        3.4 振幅和頻率對端面動(dòng)態(tài)接觸特性的影響

        法向動(dòng)態(tài)接觸剛度和接觸阻尼隨擾動(dòng)頻率、振幅和接觸比壓的變化如圖11所示。從圖中可以看出,法向動(dòng)態(tài)接觸剛度隨振幅、接觸比壓的增大而增大,隨頻率的變化并不明顯。由此可以發(fā)現(xiàn)擾動(dòng)振幅和接觸比壓對法向動(dòng)態(tài)接觸剛度的作用效果遠(yuǎn)大于擾動(dòng)頻率的作用效果。振幅增大導(dǎo)致了微擾位移增大,接觸比壓隨之增大,進(jìn)而導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)接觸剛度的增大。而剛度本身是反映材料抵抗變形的能力,它與接觸比壓和位移成正比。對于動(dòng)態(tài)參數(shù)對接觸阻尼的影響,從圖11(b)中可以發(fā)現(xiàn)接觸阻尼隨接觸比壓的增大而增大,隨振幅的增大而減小,隨頻率的增大呈現(xiàn)出先減小后趨于平穩(wěn)的特點(diǎn)。通過式(22)可知,影響動(dòng)態(tài)接觸阻尼變化的參數(shù)主要有機(jī)械能En、擾動(dòng)振幅X0和擾動(dòng)頻率ω。當(dāng)振幅X0、頻率ω不變時(shí),動(dòng)態(tài)接觸阻尼隨En的增大而增大;當(dāng)機(jī)械能En、振幅X0不變時(shí),動(dòng)態(tài)接觸阻尼隨頻率ω的增大而減小;當(dāng)機(jī)械能En、頻率ω不變時(shí),動(dòng)態(tài)接觸阻尼隨振幅X0的增大而減小。接觸比壓增大時(shí)發(fā)生塑性變形的微凸體增多,消耗的機(jī)械能增大,但不影響頻率和振幅的變化,因此出現(xiàn)動(dòng)態(tài)接觸阻尼隨接觸比壓的增大而增大。當(dāng)振幅增大時(shí),發(fā)生塑性變形的微凸體數(shù)量增加,因此消耗的機(jī)械能增大,這導(dǎo)致振幅X0和機(jī)械能En同時(shí)增大,最終阻尼的變化取決于En、X0的變化速度。針對碳化硅-石墨構(gòu)成的接觸界面,動(dòng)態(tài)接觸阻尼隨振幅的增大而減小,但不代表所有的材料均是如此,不同的材料表現(xiàn)出不同的阻尼特性。當(dāng)頻率增大時(shí),一個(gè)激振周期消耗的能量不會發(fā)生變化,振幅也不隨之變化,因此出現(xiàn)動(dòng)態(tài)接觸阻尼隨頻率的增大而減小。

        圖11 動(dòng)態(tài)參數(shù)對動(dòng)態(tài)接觸剛度、阻尼的影響Fig.11 The effect of dynamic parameters on dynamic contact stiffness and dynamic contact damping

        4 結(jié) 論

        在確定密封環(huán)接觸端面真實(shí)表面形貌的基礎(chǔ)上,考慮密封環(huán)材料屬性,結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)接觸理論和等效阻尼思想,推導(dǎo)出適用于干氣密封干摩擦界面法向動(dòng)態(tài)接觸剛度和法向動(dòng)態(tài)接觸阻尼的解析模型,進(jìn)行數(shù)值分析得到以下結(jié)論。

        (1)法向動(dòng)態(tài)接觸剛度隨接觸比壓、振幅的增大而增大。頻率對動(dòng)態(tài)接觸剛度的作用效果遠(yuǎn)小于接觸比壓或振幅對接觸剛度的作用。動(dòng)、靜態(tài)接觸剛度隨接觸比壓的變化趨勢一致,但數(shù)值上存在一定的偏差,這種偏差隨接觸比壓的增大而增大。

        (2)動(dòng)態(tài)接觸阻尼隨接觸比壓的增大而增大,隨頻率的增大而減小。振幅的增大導(dǎo)致結(jié)合面消耗的機(jī)械能En增大,接觸阻尼隨振幅的變化取決于消耗的機(jī)械能En和振幅X0的變化速度,針對碳化硅-石墨構(gòu)成的接觸界面,動(dòng)態(tài)接觸阻尼隨振幅的增大而減小。

        (3)與多個(gè)經(jīng)典接觸模型對比,本文的計(jì)算結(jié)果與經(jīng)典的GW模型更為接近。針對干氣密封碳化硅作為動(dòng)環(huán)、石墨作為靜環(huán)的配對方式,結(jié)合面的微擾動(dòng)態(tài)特性以動(dòng)態(tài)接觸剛度為主。針對啟停過程密封環(huán)發(fā)生的法向接觸振動(dòng),主要考慮動(dòng)態(tài)接觸剛度對振動(dòng)特性的影響,而動(dòng)態(tài)接觸阻尼較小,可以忽略。

        (4)50%臨界脫開轉(zhuǎn)速之前的動(dòng)態(tài)接觸剛度和接觸阻尼變化明顯,超過50%臨界脫開轉(zhuǎn)速時(shí)動(dòng)態(tài)接觸特性變化微弱。法向接觸特性的變化主要考慮50%臨界脫開轉(zhuǎn)速之前的接觸階段。

        猜你喜歡
        變形
        變形記
        談詩的變形
        中華詩詞(2020年1期)2020-09-21 09:24:52
        柯西不等式的變形及應(yīng)用
        “變形記”教你變形
        不會變形的云
        “我”的變形計(jì)
        會變形的折紙
        童話世界(2018年14期)2018-05-29 00:48:08
        變形巧算
        例談拼圖與整式變形
        會變形的餅
        亚洲av综合日韩精品久久| 国产区精品| 色播在线永久免费视频网站| 亚洲国产精品一区二区| 亚洲av天堂在线视频| 亚洲av福利无码无一区二区| 日本免费人成视频播放| 蜜桃视频在线免费观看一区二区| 天堂蜜桃视频在线观看| 国产精品无码aⅴ嫩草| 杨幂AV污网站在线一区二区| 太大太粗太爽免费视频| 日本视频一区二区三区观看| 亚洲精品第一国产综合精品 | 亚洲成熟丰满熟妇高潮XXXXX| 亚洲不卡av一区二区三区四区| 日本又色又爽又黄的a片18禁 | 在线观看网址你懂的| 麻豆三级视频网站在线观看| 狠狠躁日日躁夜夜躁2022麻豆| 欧洲一卡2卡三卡4卡免费网站 | 人成午夜免费大片| 丁香九月综合激情| 精品在线观看一区二区视频| 国产边摸边吃奶叫床视频| 日韩在线免费| 区二区三区亚洲精品无| 成人免费播放视频777777| 黄色视频免费在线观看| 亚洲香蕉毛片久久网站老妇人 | 九月婷婷人人澡人人添人人爽| 99成人无码精品视频| 日韩女优视频网站一区二区三区| 品色堂永远免费| 夜夜综合网| 99视频偷拍视频一区二区三区| 国产裸体美女永久免费无遮挡 | 中国一 片免费观看| 青青草视频在线视频播放| 日韩av一区二区三区激情在线| 毛片亚洲av无码精品国产午夜|