於秋萍, 孫見君, 于　波, 馬晨波

(南京林業(yè)大學 機械電子工程學院, 江蘇 南京　210037)

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接觸式機械密封摩擦性能實驗研究

於秋萍, 孫見君, 于波, 馬晨波

(南京林業(yè)大學 機械電子工程學院, 江蘇 南京210037)

為研究和掌握機械密封端面的摩擦特性,理論上分析了其摩擦特性參數(shù),通過摩擦磨損實驗得到了這些參數(shù)的變化規(guī)律,并建立了磨損率的時間相關模型。研究表明:工作在70 ℃、N32液壓油下、轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、端面比載荷為0.558 44～1.675 32 MPa的機械密封處于混合摩擦狀態(tài)；摩擦特性參數(shù)具有載荷相關性和時間相關性；摩擦力矩及摩擦系數(shù)隨載荷增大而增大,隨時間增加而減??；磨損率隨載荷增大而增大,隨時間呈指數(shù)下降趨勢,實驗條件下密封端面的預測壽命為191.5～464.8 d。該研究有利于拓展機械密封摩擦機理的研究途徑,為機械密封壽命預測提供一定思路。

機械密封； 摩擦特性； 實驗研究； 壽命預測

接觸式機械密封制造工藝簡單,制作和維護成本低,在設計工況下有著良好的密封性能和可靠性。有關資料表明,在50 ℃下工作的接觸式機械密封,其壽命可達5年[1],用于水泵上的更是長達40年之久[2]。在能源與資源尤為緊缺、安全生產(chǎn)和環(huán)境保護要求日益嚴格的今天,接觸式機械密封再次成為國內(nèi)外學者和工程技術人員關注的焦點。

端面摩擦特性(即抵御摩擦磨損的能力)是接觸式機械密封的基本性能之一。在一定工況條件下,密封端面的相對運動引起的摩擦力和磨損系數(shù)決定著機械密封的使用壽命。用合適的參數(shù)表征密封端面的摩擦特性,可以掌握其摩擦磨損過程中的變化規(guī)律,對于改善其摩擦性能、減少磨損有重要意義。

1　摩擦特性參數(shù)

機械密封端面的摩擦特性參數(shù)主要包括摩擦力矩、摩擦系數(shù)、磨損量和磨損率。在機械密封中,摩擦力矩是通過測量獲得的。其測量原理是:當摩擦副之間相對旋轉(zhuǎn)時,由于軸向?qū)嶒炟摵闪Φ淖饔枚山缑婺Σ亮?產(chǎn)生一個反方向的摩擦力矩,并通過一根鋼絲施加到荷重傳感器上；傳感器將荷重信號轉(zhuǎn)換成電信號送到稱量控制器,并按一定的比例關系顯示實時摩擦力值；同時該力值還由控制器的輸出端轉(zhuǎn)換成標準數(shù)字信號輸送入計算機,由計算機應用軟件最終計算出實際的摩擦力矩和摩擦系數(shù)。

摩擦系數(shù)f一般是通過實驗測出摩擦力矩后,由下式求出的:

(1)

式中:M為摩擦力矩(N·m)；pg為密封端面比載荷(MPa)；Rm為密封面平均半徑(m)；A為密封面積(m2)。

在正常情況下,機械密封的壽命主要取決于密封面的磨損,有兩種表示形式,即磨損量及磨損率。磨損量[3]指的是摩擦元件磨損面法向尺寸的改變、摩擦元件體積和重量的改變。測量磨損量的方法主要有稱重法和測厚法。稱重法利用高精度天平稱量密封件試驗前后的質(zhì)量,用密封件的失重量表征磨損程度。測厚法是用儀器(如螺旋千分尺)測量密封件前后的厚度,以厚度值的變化表征磨損量。

(2)

2　工況參數(shù)

工況參數(shù)G是Stribeck研究軸承潤滑特性時提出的參數(shù),表示液膜黏性力與載荷之比[5],反映了密封端面間流體的動壓效應。G與流體種類、密封面相對速度、密封面幾何尺寸及流體壓力有關[6]。

(3)

式中,η為密封端面間流體的黏度(Pa·s)；v為密封面滑動的平均線速度(m·s-1)；b為密封面寬度(m)；Fg為施加的載荷(N)。

其中,端面間介質(zhì)的黏度受其溫度影響,可以用下式[7]進行計算:

(4)

式中,ξ為實驗常數(shù)(Pa·s),在不同溫度下由實驗求得；R為氣體常數(shù),R=8.314×10-3J·/(mol·K)；Ec為黏流活化能(J·mol-1)；θ為摩擦端面間介質(zhì)的平均溫度(K),θ=θ+θ介質(zhì),θ為動、靜環(huán)端面密封間隙中介質(zhì)平均溫度與被密封介質(zhì)或沖洗介質(zhì)溫度差[8],,r、st為動、靜環(huán)材料的導熱系數(shù)

(W/(m·K))；Cw為散熱系數(shù),根據(jù)冷卻液體和工作條件不同,一般取0.2～0.9。

可用G值來劃分機械密封端面的摩擦狀態(tài)[9]:G>1×10- 6為流體摩擦；2×10- 8

也可根據(jù)圖1所示的f-G摩擦特性法來判斷端面的摩擦狀態(tài)[10-11]。A點右側(cè)為流體摩擦區(qū)域,A點到C點間的區(qū)域為混合摩擦區(qū)域,C點左側(cè)區(qū)域為邊界摩擦區(qū)域。

圖1　f-G理論摩擦特性圖

3　端面摩擦特性實驗研究

3.1實驗條件

在MMU-2高速端面摩擦磨損實驗機上,對硬質(zhì)合金YG8(動環(huán))與碳石墨M106K(靜環(huán))配對的密封端面進行摩擦磨損實驗,考察轉(zhuǎn)速為3 000 r/min,端面載荷分別為400、600、800、1 000、1 200 N,時間分別為2、4、6、8、10 h時,摩擦力矩、摩擦系數(shù)、磨損率、工況參數(shù)的大小及動態(tài)變化。其中,動環(huán)內(nèi)外直徑分別為50 mm和63 mm,初始表面粗糙度Ra=0.02m；靜環(huán)內(nèi)外直徑分別為53 mm和61 mm,初始表面粗糙度Ra=0.4m。實驗中采用N32液壓油(32號抗磨液壓油)作為潤滑介質(zhì),實驗溫度為70 ℃。

3.2實驗結(jié)果及分析

對端面載荷分別為400、600、800、1 000、1 200 N,時間分別為2、4、6、8、10 h時的相關參數(shù)進行整理、計算,數(shù)據(jù)見表1。表1中,摩擦力矩是除去突變階段、奇異值之后穩(wěn)定階段的平均測量值；摩擦系數(shù)是對應于摩擦力矩的值；磨損率是單位時間內(nèi)靜環(huán)端面的磨損厚度,工況參數(shù)由式(3)和式(4)計算。

表1　摩擦特性參數(shù)實驗數(shù)據(jù)

由圖2可知,摩擦力矩隨載荷增大而增大,隨磨損時間的延長而減小。載荷越大,密封端面之間貼合得越緊密,微凸體變得越小,貯存潤滑介質(zhì)的能力減弱,表現(xiàn)在機器運轉(zhuǎn)時所需的力矩也就越大；磨損時間延長,表面逐漸光滑,表面微凸體對對偶面的犁削程度降低,端面摩擦扭矩減小。此外,可以看出,載荷較小時摩擦力矩減小得較為平緩,載荷越大摩擦力矩減小得越迅速,這說明摩擦力矩受載荷的影響較大。

圖2　摩擦力矩隨時間的變化

從圖3可以看出,摩擦系數(shù)也隨載荷增大而增大,隨磨損時間的延長而減小,只是程度、規(guī)律與摩擦力矩有所不同。從摩擦系數(shù)和載荷的關系式(見式(1))看出,盡管摩擦系數(shù)與載荷成反比,但由于載荷的增大引起的端面摩擦扭矩幅度更大,致使摩擦系數(shù)亦增大；而磨損時間延長,端面摩擦扭矩將隨表面逐漸光滑及表面微凸體對對偶面的犁削程度降低,在載荷一定的條件下摩擦系數(shù)減小。

圖3　摩擦系數(shù)隨時間的變化

判斷密封端面的摩擦狀態(tài),可以從摩擦系數(shù)f、工況參數(shù)G或f-G摩擦特性圖著手。由表1可知,密封端面的摩擦系數(shù)處于Lang劃分的混合摩擦范圍內(nèi)[12],工況參數(shù)處于陳國桓劃分的混合摩擦范圍,且從圖4可以看出,f-G也與圖1中混合摩擦區(qū)域的變化趨勢相似。據(jù)此,可以判斷,在本實驗條件下,機械密封處于混合摩擦狀態(tài)。

圖4　f-G摩擦特性圖

圖5為磨損率隨時間的變化。在相同的時間下,載荷越大磨損率越大；隨著時間的增加,磨損率均呈下降趨勢且載荷越大下降得越快,最后趨于穩(wěn)定。由磨損率的計算公式(見式(2))可知,在同一時間下,磨損率與磨損量相關,載荷越大,密封端面貼合得越緊,硬質(zhì)面對軟質(zhì)面上微凸體的犁削作用越大,磨去的材料越多,因此磨損率隨載荷的增大而增加；隨著時間的延長,雖然總的磨損量在增加,但由于表面越來越光滑,單位時間內(nèi)的磨損量是在下降的；可以預見,時間越來越長,磨損率的下降會越來越緩慢,最終趨于穩(wěn)定。

圖5　磨損率隨時間的變化

表2　磨損率的擬合常數(shù)值

由圖6可以看出,擬合值與實際值較為吻合,偏差很小,因此可以利用方程=A1exp(-t/B1)+C1對磨損率建立時間相關的模型,預測密封端面在特定條件下的磨損率及其能夠抵御摩擦磨損的時間(即密封端面的壽命)。在本實驗中,靜環(huán)密封面的厚度為3 mm,磨去這3 mm厚度的時間即為密封端面的壽命。

圖6　磨損率的實際值與擬合值的比較

以載荷為400 N的為例,說明計算過程如下:

當Fg=400 N時,得:A1=9.164×10-4,B1=6.928 8,C1=2.683 7×10-4,dt=-A1B1exp(-t/B1)+C1t+A1B1。

同樣地,計算出Fg=600、800、1 000、1 200 N時密封端面的壽命為：Fg=600 N時,t=6012.25h250.5 d；Fg=800 N時,t=4 844.15 h201.8 d；Fg=1 000 N時,t=4 788.8 h199.5 d；Fg=1 200 N時,t=4 596.4 h191.5 d。

4　結(jié)論

(1) 工作在N32液壓油(溫度為70 ℃)下、轉(zhuǎn)速為

3 000 r/min、載荷為400、600、800、1 000、1 200 N(端面比載荷為0.558 44～1.675 32 MPa)的接觸式機械密封處于混合摩擦狀態(tài)。

(2) 密封端面的摩擦特性參數(shù)有一定的變化規(guī)律,具有載荷相關性和時間相關性。摩擦力矩及摩擦系數(shù)隨載荷增大而增大,隨時間增加而減??；磨損率隨載荷增加而增加,隨時間呈指數(shù)下降趨勢,最后趨于穩(wěn)定。

(3) 建立的磨損率-時間相關模型與實驗數(shù)據(jù)較吻合。根據(jù)此模型,可以預測出在實驗條件下密封端面的壽命為191.5～464.8 d。

References)

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[12] Lang O R , Steinhilper W. Gleitlager[M]. Berlin:Springer-Verlag, 1978.

Experimental research on friction characteristics of contacting mechanical seal

Yu Qiuping, Sun Jianjun, Yu Bo, Ma Chenbo

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

To study and master the friction characteristics of mechanical seal interface, the friction characteristic parameters were analyzed theoretically, the variation rules of them were obtained and the time-dependent model of wear rate was established through the friction and wear tests. Results show that the mechanical seals in the hydraulic oil N32 at 70 degree under the end load between 0.558 44 MPa-1.675 32 MPa are in the states of mixed friction; the friction characteristic parameters are load-dependent and time-dependent; the friction torque and friction coefficient increase with load and decrease with time; the wear rate adds with load while declines exponentially with time and tends to stability at last. Under the experimental conditions, the predicted lifetime of seal interface is 191.5-464.8 days. This research will expand the channels to study the friction mechanism of mechanical seal and provide certain ideas for the prediction of lifetime of mechanical seal.

mechanical seal; friction characteristics; experimental study; lifetime prediction

10.16791/j.cnki.sjg.2016.02.011

2015- 06- 10

國家自然科學基金項目“接觸式機械密封界面的逾滲機制及泄漏流體流動特性研究”(51375245)

於秋萍(1988—),女,江蘇南京,碩士,助理實驗師,研究方向為機械密封理論及實驗研究.

E-mail:yuqiuping1103@163.com

TH136

A

1002-4956(2016)2- 0038- 04