郝木明 宋勇 王順吉 孫彭濤 任寶杰 李勇凡 王增麗

摘要：接觸式機(jī)械密封在運(yùn)轉(zhuǎn)中主要處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)，其端面間隙與表面粗糙度處于同一數(shù)量級(jí)。為探究混合潤(rùn)滑狀態(tài)下接觸式機(jī)械密封的摩擦磨損特性，分析端面溫度和摩擦扭矩等性能參數(shù)受工況參數(shù)的影響規(guī)律，結(jié)合平均雷諾方程以及ZMC接觸模型，求解混合潤(rùn)滑端面間的接觸特性，建立混合潤(rùn)滑磨損模型，研究接觸式機(jī)械密封在潤(rùn)滑條件下，摩擦特性參數(shù)隨操作參數(shù)的變化規(guī)律，開展了相應(yīng)的試驗(yàn)研究，并對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：隨介質(zhì)壓力增加，微凸體接觸力占比增加，通過(guò)改變端面間接觸狀態(tài)來(lái)改變摩擦狀態(tài)；隨轉(zhuǎn)速增加，端面間接觸狀態(tài)不變，但轉(zhuǎn)速加大了端面間磨損距離與溫度，進(jìn)而導(dǎo)致磨損加??；在壓力影響試驗(yàn)中，密封環(huán)溫度和密封腔溫度隨壓力變化成正比，且每次壓力變化都使得密封環(huán)溫度產(chǎn)生階躍變化。所得結(jié)論對(duì)機(jī)械密封因過(guò)熱和磨損導(dǎo)致的失效現(xiàn)象分析具有一定的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：接觸式機(jī)械密封；混合潤(rùn)滑；摩擦特性；端面溫度；摩擦扭矩；接觸狀態(tài)

The contact mechanical seal is mainly in a mixed lubrication state during operation， and its end clearance and surface roughness are in the same order of magnitude.In order to explore the friction and wear characteristics of contact mechanical seal in the mixed lubrication state， the influences of working parameters on the performance parameters such as end face temperature and friction torque were analyzed.Then， combined with the average Reynolds equation and the ZMC contact model， the contact characteristics between mixed lubrication end faces were solved.The mixed lubrication wear model was built to study the variation of friction characteristic parameters with operating parameters of contact mechanical seal under lubrication conditions.Finally， corresponding experimental research was carried out to verify the theoretical analysis results.The research results show that， with the increase of medium pressure， the proportion of asperity contact force increases， and the friction state is changed by changing the contact state between the end faces.With the increase of rotation speed， the contact state between the end faces remains unchanged， but the rotation speed increases the wear distance and temperature between the end faces， which leads to the aggravation of wear.In the pressure influence test， the temperature of the sealing ring and the temperature of the sealing cavity are proportional to the pressure change， and each pressure change makes the temperature of the sealing ring have a step change.The conclusions have certain theoretical guiding significance for the failure analysis of mechanical seal caused by overheating and wear.

contact mechanical seal；mixed lubrication；friction characteristics；end face temperature；friction torque；contact state

0 引 言

接觸式機(jī)械密封在石油化工、航空航天、核電及冶金等諸多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，密封往往要面對(duì)各類復(fù)雜和極端工況，失效問(wèn)題十分常見，而密封一旦失效，造成的損失遠(yuǎn)大于密封本身的價(jià)值［1-3］。接觸式機(jī)械密封在運(yùn)轉(zhuǎn)中主要處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)，其端面間隙與表面粗糙度處于同一數(shù)量級(jí)［4-5］，間隙偏大可能造成泄漏量超標(biāo)，間隙過(guò)小則會(huì)造成磨損嚴(yán)重。端面磨損是制約接觸式機(jī)械密封使用壽命的重要因素，因此，使用壽命與泄漏量之間的平衡是機(jī)械密封摩擦特性研究需要解決的重要問(wèn)題［6-8］。

現(xiàn)階段對(duì)密封磨損特性的理論研究主要包含2類。一是以Archard磨損模型［9］為基礎(chǔ)，例如惠玉祥等［10］建立了考慮磨損的接觸式密封性能計(jì)算模型，在考慮變形與磨損的基礎(chǔ)上計(jì)算密封性能參數(shù)；馬潤(rùn)梅等［11］通過(guò)有限元分析的方法研究了干摩擦機(jī)械密封變形以及磨損狀況，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了計(jì)算模型的正確性。二是以分形理論為基礎(chǔ)，例如李小彭等［12］建立了分形磨損模型，研究分形參數(shù)對(duì)磨損的影響；張正棠［13］基于分形理論對(duì)干氣密封環(huán)的摩擦磨損進(jìn)行數(shù)值模擬，分別建立了基于磨粒磨損和黏著磨損2種磨損形式的磨損模型。

然而，現(xiàn)有研究大多僅考慮端面固相直接接觸導(dǎo)致的磨損，未考慮潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)端面間流場(chǎng)特性以及磨損特性的影響。為此，筆者結(jié)合平均雷諾方程以及ZMC（粗糙表面彈塑性微觀接觸模型）接觸模型，求解混合潤(rùn)滑端面間的接觸特性，建立混合潤(rùn)滑磨損模型，研究接觸式機(jī)械密封在潤(rùn)滑條件下，摩擦特性參數(shù)隨操作參數(shù)的變化規(guī)律，并開展相應(yīng)的試驗(yàn)研究，以對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。所得結(jié)論對(duì)機(jī)械密封因過(guò)熱和磨損導(dǎo)致的失效現(xiàn)象分析具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 理論模型

1.1 粗糙表面間流體潤(rùn)滑控制方程

采用混合潤(rùn)滑的平均雷諾方程計(jì)算端面間流場(chǎng)分布，其柱坐標(biāo)表達(dá)式如下［14］：

2 理論結(jié)果分析

2.1 轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦特性的影響

圖1為轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦特性的影響曲線。由圖1可知，隨著轉(zhuǎn)速變化，由于端面間只存在靜壓效應(yīng)，液膜力保持不變，占閉合力的30%，所以接觸摩擦扭矩不變。隨著轉(zhuǎn)速的增大，液膜黏性剪切摩擦力變大，進(jìn)而導(dǎo)致總摩擦扭矩增大。隨著密封轉(zhuǎn)速增大，端面間的摩擦生熱量增大導(dǎo)致端面峰值溫度上升；在滑動(dòng)接觸線速度與界面閃溫的共同影響下，磨損率呈現(xiàn)二次曲線增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2.2 介質(zhì)壓力對(duì)摩擦特性的影響

圖2為介質(zhì)壓力對(duì)摩擦特性參數(shù)的影響曲線。由圖2可知，隨著密封介質(zhì)壓力的增加，端面間液膜流體靜壓效應(yīng)變大，液膜承載力增加，但是液膜承載力增加的幅度不足以平衡密封閉合力，因此微凸體接觸力以及液膜承載力都呈線性增加。同時(shí)由于端面間接觸狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，端面間接觸摩擦扭矩與液膜黏性剪切扭矩同時(shí)增加。介質(zhì)壓力的增加導(dǎo)致端面間隙減小，端面間微凸體接觸力增大，端面間產(chǎn)生更多的接觸摩擦熱，進(jìn)而導(dǎo)致端面溫度上升；微凸體接觸力的增加以及溫度的升高同時(shí)加劇了軟質(zhì)環(huán)的磨損。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試方案

在測(cè)試方案中，采用單個(gè)被測(cè)密封對(duì)，在電機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，連續(xù)改變工況，采集整個(gè)過(guò)程中端面溫度以及摩擦扭矩的變化規(guī)律。在靜環(huán)圓周方向均布4個(gè)測(cè)溫盲孔，將熱電偶插入靜環(huán)測(cè)溫孔中，實(shí)現(xiàn)對(duì)端面4個(gè)點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。摩擦扭矩采用轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀測(cè)量。

3.2 介質(zhì)壓力的影響

3.2.1 溫度結(jié)果

圖3為介質(zhì)壓力對(duì)溫度的影響曲線。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)：隨著不同壓力條件的變化，密封環(huán)溫度出現(xiàn)明顯的階躍現(xiàn)象，且與介質(zhì)壓力變化成正比關(guān)系，每當(dāng)介質(zhì)壓力升高0.1 MPa，密封環(huán)溫度升高約5 ℃，4個(gè)傳感器測(cè)得溫度從30 ℃升到120 ℃，溫度上升較為明顯；但密封腔溫度上升趨勢(shì)始終保持穩(wěn)定，在壓力變化時(shí)只出現(xiàn)小幅度的波動(dòng)現(xiàn)象。

通過(guò)密封環(huán)溫度計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果誤差約為12 ℃，誤差率為12%，且壓力越高，誤差越大。分析誤差產(chǎn)生的原因可能包括以下幾點(diǎn)：①試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量位置距離端面有2 mm距離，會(huì)導(dǎo)致一定的溫度差距；②模擬過(guò)程中未考慮換熱器和管道對(duì)介質(zhì)溫度的影響；③模擬過(guò)程中假設(shè)密封環(huán)背面絕熱，實(shí)際上密封環(huán)與靜環(huán)座、彈簧座都存在一定的熱量傳遞。

3.2.2 摩擦扭矩結(jié)果

圖4為介質(zhì)壓力對(duì)摩擦扭矩的影響曲線。由圖4可以發(fā)現(xiàn)：隨著介質(zhì)壓力的增加，摩擦扭矩不斷變大，但由于試驗(yàn)采用全新的密封環(huán)，在開始運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中必定存在磨合過(guò)程，所以在0.1～0.2 MPa下摩擦扭矩呈現(xiàn)小幅度下降；在0.2 MPa以后，摩擦扭矩與介質(zhì)壓力呈近似正比關(guān)系。將每個(gè)工況下的摩擦扭矩求平均值作為該工況下的摩擦扭矩值，與模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，摩擦扭矩隨著介質(zhì)壓力的升高而增大，但試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果具有一定差距。

3.3 轉(zhuǎn)速的影響

3.3.1 溫度結(jié)果

圖5為轉(zhuǎn)速對(duì)溫度的影響曲線。從圖5可以看出：隨著轉(zhuǎn)速的增加密封環(huán)溫度呈階躍式增加趨勢(shì)，每次轉(zhuǎn)速變化500 r/min，溫度升高約5 ℃，密封腔溫度與密封環(huán)溫度變化趨勢(shì)相同，在轉(zhuǎn)速突變時(shí)密封腔溫度變化滯后于密封環(huán)溫度，且升高速率較慢；理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果整體趨勢(shì)相同，平均誤差為15%，但轉(zhuǎn)速越高，結(jié)果差距越大。

3.3.2 摩擦扭矩結(jié)果

圖6為轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦扭矩的影響曲線。由圖6可以發(fā)現(xiàn)：隨著轉(zhuǎn)速的提升，摩擦扭矩不斷變大，轉(zhuǎn)速每提高500 r/min時(shí)，摩擦扭矩增加約0.04 N·m，且每次工況變化會(huì)改變端面摩擦狀態(tài)，需重新進(jìn)入一個(gè)短時(shí)的磨合期，因此會(huì)出現(xiàn)峰值；試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果整體趨勢(shì)一致，誤差保持在0.2 N·m左右。分析認(rèn)為，產(chǎn)生誤差的原因?yàn)槔碚撚?jì)算中未考慮密封介質(zhì)黏度變化對(duì)摩擦扭矩的影響，密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的溫升會(huì)導(dǎo)致密封介質(zhì)黏度以及軸承箱潤(rùn)滑脂黏度的減小，因此引起一定誤差。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果增加速率略高于模擬結(jié)果，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因?yàn)槟M計(jì)算過(guò)程中將端面假設(shè)為純平面，而實(shí)際上端面存在微凸體，轉(zhuǎn)速越高，端面間微凸體相互碰撞產(chǎn)生的摩擦扭矩越大，因此試驗(yàn)結(jié)果的增速高于模擬結(jié)果。

4 結(jié) 論

本文在考慮潤(rùn)滑的前提下，建立了接觸式機(jī)械密封穩(wěn)定磨損階段的磨損模型，分析計(jì)算不同工況對(duì)接觸式密封摩擦特性參數(shù)的影響，得到如下主要結(jié)論：

（1）所給計(jì)算條件下，微凸體接觸力占比均大于液膜承載力占比，且介質(zhì)壓力會(huì)對(duì)端面間接觸狀態(tài)產(chǎn)生較大影響。

（2）隨介質(zhì)壓力增大，微凸體接觸力占比增加，通過(guò)改變端面間接觸狀態(tài)來(lái)改變摩擦狀態(tài)；隨轉(zhuǎn)速增加，端面間接觸狀態(tài)不變，但轉(zhuǎn)速加大了端面間磨損距離與溫度，進(jìn)而導(dǎo)致磨損加劇。

（3）在壓力影響試驗(yàn)中，密封環(huán)溫度和密封腔溫度隨壓力變化成正比，且每次壓力變化都使得密封環(huán)溫度產(chǎn)生階躍變化；由于運(yùn)轉(zhuǎn)初期存在短時(shí)間磨合過(guò)程，摩擦扭矩出現(xiàn)短時(shí)下降趨勢(shì)，而后扭矩與壓力變化成正比關(guān)系。

（4）在轉(zhuǎn)速影響試驗(yàn)中，密封環(huán)與密封腔的溫度與轉(zhuǎn)速成正比，且在轉(zhuǎn)速變化時(shí)也出現(xiàn)小幅度溫度階躍；摩擦扭矩總體變化趨勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，但是在每次工況變化時(shí)，密封都會(huì)進(jìn)入一個(gè)短時(shí)的磨合期，導(dǎo)致摩擦扭矩出現(xiàn)小幅峰值。

［1］ 郝木明．機(jī)械密封技術(shù)及應(yīng)用［M］．北京：中國(guó)石化出版社，2010：10-11．

HAO M M.Mechanical seal technology and application［M］.Beijing：China Petrochemical Press，2010：10-11.

［2］ 魏龍，顧伯勤，孫見君．機(jī)械密封端面摩擦工況研究進(jìn)展［J］．潤(rùn)滑與密封，2003（5）：30-33．

WEI L，GU B Q，SUN J J.Research progress in friction status of mechanical seals［J］.Lubrication Engineering，2003（5）：30-33.

［3］ 陸建花．接觸式機(jī)械密封界面間泄漏流體流動(dòng)特性研究［D］．南京：南京林業(yè)大學(xué)，2017．

LU J H.Study on leakage flow characteristics between contact mechanical sealing interfaces［D］.Nanjing：Nanjing Forestry University，2017.

［4］ BHUSHAN B．摩擦學(xué)導(dǎo)論［M］．葛世榮，譯．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

BHUSHAN B.Introduction to tribology［M］.GE S R，translated.Beijing：China Machine Press，2007.

［5］ 孫見君，顧伯勤，魏龍．在役機(jī)械密封端面摩擦扭矩的測(cè)量與控制［J］．石油機(jī)械，2005，33（3）：59-61，67．

SUN J J，GU B Q，WEI L.Measurement and control of friction torque of mechanical seal face in service［J］.China Petroleum Machinery，2005，33（3）：59-61，67.

［6］ LEBECK A O．機(jī)械密封原理與設(shè)計(jì)［M］．黃偉峰，李永健，王玉明，等譯．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016．

LEBECK A O.Principles and design of mechanical face seals［M］.HUANG W F，LI Y J，WANG Y M，et al translated.Beijing：China Machine Press，2016.

［7］ 周琴，王瑜，亓京波．井下工具心軸偏移對(duì)機(jī)械密封端面變形的影響［J］．石油機(jī)械，2012，40（4）：4-7．

ZHOU Q，WANG Y，QI J B.Effects of kigration of downhole Tool mandrel on mechanical seal end deformation［J］.China Petroleum Machinery，2012，40（4）：4-7.

［8］ 王鴻江，劉連強(qiáng)，張家祥，等．基于正交試驗(yàn)的機(jī)械密封螺旋槽參數(shù)優(yōu)化研究［J］．石油機(jī)械，2022，50（3）：1-8．

WANG H J，LIU L Q，ZHANG J X，et al.Optimization on parameters of mechanical seal spiral groove based on orthogonal test［J］.China Petroleum Machinery，2022，50（3）：1-8.

［9］ ARCHARD J F.Contact and rubbing of flat surfaces［J］.Journal of Applied Physics，1953，24（8）：981-988.

［10］ 惠玉祥，劉瑩，王悅昶，等．考慮磨損的接觸式端面密封模型及試驗(yàn)［J］．摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2021，41（3）：316-324．

HUI Y X，LIU Y，WANG Y C，et al.Contact end face seals considering wear：modelling and experiments［J］.Tribology，2021，41（3）：316-324.

［11］ 馬潤(rùn)梅，趙祥，陳瀟竹，等．高速干摩擦機(jī)械密封的端面變形及摩擦磨損［J］．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，48（7）：1174-1182．

MA R M，ZHAO X，CHEN X Z，et al.End face deformation and friction and wear of highspeed dry friction mechanical seal［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2022，48（7）：1174-1182.

［12］ 李小彭，楊澤敏，潘五九，等．接觸式機(jī)械密封端面的分形磨損模型［J］．振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2020，40（5）：841-846．

LI X P，YANG Z M，PAN W J，et al.Fractal wear model of contact mechanical seal face［J］.Journal of Vibration，Measurement & Diagnosis，2020，40（5）：841-846.

［13］ 張正棠．基于分形理論的干氣密封環(huán)摩擦磨損數(shù)值模擬［D］．蘭州：蘭州理工大學(xué)，2016．

ZHANG Z T.Based on the fractal theory of dry gas sealing ring friction and wear numerical simulation［D］.Lanzhou：Lanzhou University of Technology，2016.

［14］ PATIR N，CHENG H S.An average flow model for determining effects of threedimensional roughness on partial hydrodynamic lubrication［J］.Journal of Lubrication Technology，1978，100（1）：12-17.

［15］ 吳承偉．油膜負(fù)壓及表面形貌潤(rùn)滑效應(yīng)的研究［D］．北京：清華大學(xué)，1987．

WU C W.Study on lubrication effect of oil film negative pressure and surface topography［D］.Beijing：Tsinghua University，1987.

［16］ 趙永武，呂彥明，蔣建忠．新的粗糙表面彈塑性接觸模型［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（3）：95-101．

ZHAO Y W，LYU Y M，JIANG J Z.New elasticplastic model for the contact of rough surfaces［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，43（3）：95-101.

［17］ MASJEDI M，KHONSARI M M.An engineering approach for rapid evaluation of traction coefficient and wear in mixed EHL［J］.Tribology International，2015，92：184-190.

［18］ TIAN X F，KENNEDY F E，Jr.Maximum and average flash temperatures in sliding contacts［J］.Journal of Tribology，1994，116（1）：167-174.

第一郝木明，教授，博士生導(dǎo)師，生于1964年，2003年畢業(yè)于俄羅斯烏法國(guó)立石油技術(shù)大學(xué)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)從事流體動(dòng)密封相關(guān)研究及應(yīng)用工作。地址：（266580）山東省青島市，電話：（0532）86983521。Email：haomm@upc.edu.cn。