接觸式機械密封跑合過程密封端面平均溫度預測

(南京科技職業(yè)學院江蘇省流體密封與測控工程技術研究開發(fā)中心， 江蘇南京 210048)

引言

端面溫度對機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是保證機械密封長周期穩(wěn)定運行的重要條件。工作時，由于端面間的相對滑動產生摩擦熱，從而引起端面溫度升高。端面溫度的升高又會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]。過高的端面溫度會使端面間液膜汽化， 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密封性能的影響較小，工程計算時，常以端面平均溫度代替復雜的溫度場[1-2]。

機械密封工作初期，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。掌握跑合過程中端面溫度的變化規(guī)律對了解機械密封端面間的工作特性，提高端面的跑合質量、減輕端面的摩擦磨損具有重要意義。

研究表明[9-13]，機械密封端面磨損前后的輪廓曲線均具有與尺度無關且各向同性的分形特性。分形的原意是不規(guī)則的、分數(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)計自仿射特性。本研究通過對機械密封的跑合試驗，得到不同跑合階段的軟質環(huán)端面形貌分形參數(shù)，進而通過理論計算對機械密封跑合過程端面平均溫度進行預測。

1 計算模型

1.1 密封端面接觸計算模型

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

1

(1)

D=1.5

(2)

Kf=1-0.228fc，0≤fc≤0.3；

式中，pc—— 機械密封端面比壓

E—— 綜合彈性模量

E1，E2—— 硬質環(huán)、軟質環(huán)材料彈性模量

υ1,υ2—— 硬質環(huán)、軟質環(huán)材料泊松比

σ2y—— 軟質環(huán)材料抗壓屈服強度

G*—— 量綱一特征尺度系數(shù)

G—— 軟質環(huán)端面特征尺度系數(shù)

D—— 軟質環(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)域擴展系數(shù)

f(i) —— 中間函數(shù)，i為1～4的整數(shù)

根據(jù)機械密封端面開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—— 機械密封彈簧比壓

B—— 平衡系數(shù)

Km—— 膜壓系數(shù)

p—— 密封介質壓力

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

(4)

式中，ρ—— 液膜密度

n—— 轉速

r1，r2—— 密封端面內、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算模型

魏龍等[10]將密封環(huán)簡化為當量筒體，推導出了接觸式機械密封端面平均溫度的計算式：

(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、靜環(huán)散熱系數(shù)

λcr,λcs—— 動、靜環(huán)材料的等效熱導率

Acr，Acs—— 動、靜環(huán)當量筒體軸向橫截面積

Lr，Ls—— 動、靜環(huán)當量筒體長度

Tf—— 密封腔內密封介質平均溫度

式(5)中相關參數(shù)的計算方法詳見文獻[10]。

端面摩擦系數(shù)f可由下式計算得出[10-11]：

(6)

式中，μm—— 液膜動力黏度

φc—— 接觸因子

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

μm=μ0e-α(Tm-T0)

(7)

式中，μ0—— 液膜在溫度T0時的動力黏度

α—— 黏溫系數(shù)

密封介質為水時取α=0.0175 ℃-1。

接觸因子φc反映了密封端面實際的粗糙形貌對液膜黏性摩擦的影響，可由下式計算[16]:

(8)

式中，χ—— 膜厚比

機械密封端面膜厚比的分形表達式為[10]：

lrD-2ψ-(2-D)2/4Aa(2-D)/2(1-bm)(4-D)/2

(9)

式中，lr—— 實際測量端面形貌時的取樣長度

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

圖1 端面平溫度計算流程

2 試驗研究

2.1 試驗裝置與測量儀器

試驗是在自主研制的機械密封計算機輔助試驗機[17]上進行的，試驗機組成如圖2所示。

密封端面形貌采用AF-LI型觸針式表面形貌儀測量。為減小端面形貌的測量誤差，初始及每一階段實驗結束后，對軟質環(huán)端面沿周向均勻分布的4處分別進行測量，對這4處的測量結果取平均值。測量時，取樣長度為1.25 mm。

2.2 試驗參數(shù)與試驗方法

1) 試件

試件為內流式部分平衡型機械密封，其結構如圖3所示。試件機械密封的動環(huán)為鑲嵌式硬質環(huán)，面環(huán)材料為硬質合金YG8，座環(huán)材料為301不銹鋼；靜環(huán)為整體式軟質環(huán)，材料為碳石墨M106K。密封環(huán)的結構參數(shù)如表1所示，性能參數(shù)如表2所示。按文獻[10]的方法，將密封環(huán)簡化為當量筒體后的相關參數(shù)如表3所示。

1.手輪 2.絲桿 3.拖板 4.密封腔 5.試驗介質入口閥 6.試驗介質出口閥 7.軸套 8.放空閥 9.機械密封 10.靜環(huán)座 11.測漏點 12.密封腔后端蓋 13、16.軸承 14.底座 15.主軸 17、18.聯(lián)軸器 19.電動機 20.冷卻器 21.循環(huán)泵 22.穩(wěn)壓罐 23.氮氣瓶 24.轉速扭矩傳感器 25.位移傳感器 26.測漏傳感器 27.力測量傳感器 28.介質溫度傳感器 29.介質壓力傳感器 30.信號調理器及采集卡 31.計算機 注：閥5和閥6實際位置在密封腔側面圖2 機械密封試驗機組成示意圖

1、4.輔助密封圈 2.靜環(huán) 3.動環(huán) 5.密封墊圈 6.推環(huán) 7.彈簧 8.傳動座圖3 試件結構

表1 密封環(huán)的結構參數(shù)

2) 試驗參數(shù)

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

表2 密封環(huán)的性能參數(shù)

表3 密封環(huán)當量筒體的相關參數(shù)

表4 試驗參數(shù)

3) 試驗方法

試驗前測量軟質環(huán)端面輪廓，然后將密封試件安裝于試驗裝置中，調整好試驗參數(shù)，開機試驗。運行一段時間后停機，將密封試件取出并擦凈，對軟質環(huán)端面輪廓進行測量。重復以上步驟。

2.3 試驗結果

試驗得到的機械密封軟質環(huán)端面分形參數(shù)D和G與運行時間t的關系曲線如圖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；隨著跑合過程的進行，D增大、G減小，端面趨于光滑。在前10 h的運行初期，D和G值的變化幅度較大，之后隨著跑合過程的進行，D和G值的變化幅度逐漸減小。跑合過程結束，進入正常磨損階段后，D和G值變化很小，處于較穩(wěn)定的值。

圖4 分形參數(shù)與運行時間的關系曲線

3 跑合過程端面平均溫度預測

根據(jù)試驗得到的軟質環(huán)端面分形參數(shù)D、G值，由式(1)～式(9)計算，可預測出跑合過程密封端面平均溫度Tm的變化規(guī)律，如圖5所示。由于啟動升速過程時間很短，在預測時忽略了啟動過程端面平均溫度的變化。

圖5 密封端面跑合過程平均溫度預測值

圖5表明，隨著跑合過程的進行，密封端面平均溫度Tm不斷增大。對比圖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?。划斣嚰?運行約240 h后，試件2運行約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，跑合過程結束。

跑合過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。

由預測值可知，啟動過程結束，轉速達到正常轉速時，1，2試件的端面平均溫度分別為35.4 ℃和35.2 ℃，進入正常磨損階段后，1，2試件的端面平均溫度分別穩(wěn)定在40.3 ℃和40.5 ℃上下。對比2個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端面平均溫度的影響較大，而彈簧比壓對端面平均溫度的影響相對較小。

4 結論

(1) 由于實際運行過程中的接觸式機械密封端面的形貌是動態(tài)變化的，即密封端面分形維數(shù)和特征尺度系數(shù)是時變的，故密封端面的溫度也是時變的?？梢酝ㄟ^測量密封端面分形維數(shù)和特征尺度系數(shù)來預測密封端面溫度;

(2) 接觸式機械密封工作過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??；跑合過程結束后，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到的穩(wěn)定值也大，但與密封端面形貌的變化對端面平均溫度的影響相比，彈簧比壓對端面平均溫度的影響度較小。