基于Archard理論的硬密封磨損壽命分析

王祺武，李志鵬，，李 捷

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410114；2.湖南省特大口徑電站閥門工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410007）

0 引言

泄漏是閥門使用中常見(jiàn)的故障，密封件相互接觸產(chǎn)生磨損量的累積是引起密封失效的主要原因之一，嚴(yán)重時(shí)甚至造成安全事故。因此，有必要對(duì)閥門啟閉過(guò)程中的密封磨損情況進(jìn)行研究分析。

SCHMIDT 等[1]基于 Archard磨損模型，通過(guò)有限元軟件二次開(kāi)發(fā)功能求解了O形圈的磨損量。馮占榮等[2]應(yīng)用有限元法對(duì)關(guān)閉狀態(tài)下的硬密封球閥密封性及應(yīng)力進(jìn)行分析，解決了閥門泄漏的問(wèn)題。偶國(guó)富等[3]建立了球閥的主密封結(jié)構(gòu)有限元模型及密封性能評(píng)價(jià)模型，采用硬接觸小滑移算法對(duì)密封副接觸進(jìn)行了非線性有限元分析，得到了金屬硬密封球閥主密封面密封比壓變化規(guī)律。LI等[4]利用有限元仿真模擬了環(huán)形密封件的磨損狀況，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的推移，密封表面逐漸消耗，致使密封表面的最大接觸壓力快速下降并逐漸保持平穩(wěn)。常凱[5]基于Archard摩擦磨損模型，利用有限元仿真軟件ANSYS結(jié)構(gòu)和熱分析功能，提出了一種適用于O形旋轉(zhuǎn)密封圈的磨損模擬方法。華劍等[6]對(duì)金屬陶瓷硬密封副密封比壓采用赫茲彈性接觸理論分析，并建立了密封性能評(píng)價(jià)模型?？紫璧萚7]建立了金屬密封副有限元模型并進(jìn)行泄漏分析，通過(guò)修改各結(jié)構(gòu)參數(shù)分析得到泄漏影響趨勢(shì)，對(duì)閥門進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)。

硬密封閥門因其能正常工作在較高溫度和介質(zhì)壓力下，并具有良好的密封性能和耐磨性，在煉油、煤煤化工和傳統(tǒng)電站疏水系統(tǒng)及發(fā)電廠等各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。目前對(duì)于閥門泄漏分析對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和改進(jìn)方面的研究較多，軟密封閥門的研究分析已趨于成熟，而硬密封閥門密封性能的分析報(bào)道較少[8]，硬密封主要是通過(guò)硬-硬接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的密封性能，接觸過(guò)程中對(duì)密封副的磨損將會(huì)是導(dǎo)致閥門密封失效產(chǎn)生泄漏的重要原因。因此本文基于Archard理論，通過(guò)有限元軟件輔助分析，模擬摩擦副之間相對(duì)滑動(dòng)，得到不同階段下密封的磨損深度及磨損量，分析密封副之間的磨損趨勢(shì)及使用壽命，給閥門設(shè)計(jì)提供一定的幫助。

1 主要參數(shù)

本研究采用某公司DN1100PN16的水電站進(jìn)水閥硬密封蝶閥模型，密封圈直徑20 mm，密封面內(nèi)徑1 026 mm，初始密封面擠壓量為0.08 mm。提取其密封副局部結(jié)構(gòu)如圖1所示，關(guān)閥時(shí)，閥板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，蝶板密封面與閥座相接觸產(chǎn)生微小變形而實(shí)現(xiàn)密封效果，主要部件參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 密封接觸面結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of sealing contact surface

表1 各零部件主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of each part

2 Archard磨損模型

本文采用Archard提出的簡(jiǎn)單的粘著磨損計(jì)算公式[9]。其模型如圖2所示，假設(shè)接觸表面是由球形微凸體組成，接觸變形的區(qū)域是圓形，半徑為r，當(dāng)接觸發(fā)生時(shí)微凸體發(fā)生塑性變形。

圖2 磨損簡(jiǎn)化模型Fig.2 Simplified wear model

接觸微凸體的面積為Ai=πr2，其體積實(shí)際接觸面積與載荷成正比表示為：

式中 σs——材料的屈服極限，Pa。

n個(gè)微凸體所承受的這個(gè)表面的總載荷可表示為：

假設(shè)每當(dāng)擦過(guò)一個(gè)微凸體就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)半圓球磨屑，當(dāng)一個(gè)微凸體滑動(dòng)了2r時(shí)其磨損量為n個(gè)完整的微凸體，磨損度W表示為：

當(dāng)兩個(gè)表面相對(duì)滑動(dòng)了L的距離，并考慮法向正壓力的數(shù)值超過(guò)材料的屈服極限σ3時(shí)，接觸面將遭受磨損破壞。此時(shí)磨損量可以表示為如下關(guān)系式：

由于摩擦接觸過(guò)程中產(chǎn)生磨屑是有一定概率的，因此引入磨損系數(shù) Kf[10-12]，有：

式中 VQ——磨損體積，m3；

Kf——磨損系數(shù)，代表摩擦副的性能；

N——接觸表面的合力，N；

σs——屈服極限，Pa；

L——兩摩擦副的相對(duì)滑動(dòng)位移，m。

Kf由摩擦副材料、摩擦表面粗糙度及摩擦條件等決定，在空氣介質(zhì)中，具有良好潤(rùn)滑的金屬表面，Kf=10-8～10-7；潤(rùn)滑不良的表面 Kf=10-4～10-5；潔凈表面 Kf=10-3～10-4。XIA 等[13]在 Optimol SRV振蕩式摩擦和磨損測(cè)試儀上進(jìn)行了磨損實(shí)驗(yàn)，得到由GCr15和06Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼組成的摩擦副磨損系數(shù)Kf=9.66×10-7，徐向陽(yáng)等對(duì)06Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼和GCr15剛球進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)計(jì)算出磨損系數(shù) Kf=1.0×10-5[14]。本文保守計(jì)算取Kf=10-5。

閥座密封面處介質(zhì)作用力為：

式中 FMJ——密封面處介質(zhì)作用力，N；

DMN——密封面內(nèi)徑，mm；

bM——密封面寬度，mm；

p ——設(shè)計(jì)壓力，MPa，取公稱壓力的1/10。

磨損區(qū)域大致如圖3所示，由幾何關(guān)系得出密封件被磨損的體積，式（5）可知單次被磨損量，從而計(jì)算出閥門可啟閉次數(shù)。

圖3 磨損區(qū)域示意Fig.3 Schematic diagram of the wear area

3 接觸區(qū)有限元仿真分析

使用Workbench平臺(tái)下靜力學(xué)分析模塊，為減少計(jì)算量將模型簡(jiǎn)化成二維模型，O形密封圈與閥座密封件之間采用摩擦接觸，根據(jù)硬密封材料，摩擦因子取0.1，使用增強(qiáng)拉格朗日算法，O形圈與閥板之間采用綁定接觸。

整體網(wǎng)格采用1 mm尺寸，在O形密封圈與閥座密封接觸部位采用局部網(wǎng)格加密，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4 網(wǎng)格示意Fig.4 Schematic diagram of grids

表2 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)Tab.2 Grid independence test

保證計(jì)算精度的同時(shí)考慮計(jì)算量的大小，選取加密部位尺寸為0.05 mm的設(shè)置，得到接觸壓力如圖5所示。提取接觸面壓強(qiáng)和穿透量，并將接觸區(qū)域由下至上依次編號(hào)見(jiàn)表3，各節(jié)點(diǎn)間隔0.05 mm。

圖5 首次接觸時(shí)壓力云圖Fig.5 Pressure nephogram at first contact

表3 首次接觸時(shí)節(jié)點(diǎn)壓強(qiáng)及穿透量Tab.3 Nodal pressure and penetration at the first contact

從圖5可以看出，密封的磨損中間部分較深，向兩邊依次遞減，符合圓形邊緣的磨損趨勢(shì)。由于有限元軟件對(duì)微小變形并不敏感，在仿真分析時(shí)會(huì)出現(xiàn)算法自動(dòng)填補(bǔ)微小變形區(qū)域的情況。因此將0.08 mm擠壓量全部磨損掉的整個(gè)磨損失效問(wèn)題分解成4個(gè)步驟，根據(jù)前一次的仿真結(jié)果建立下一次的仿真有限元模型，間隔0.02 mm擠壓量。

根據(jù)首次計(jì)算結(jié)果，由表3中數(shù)據(jù)計(jì)算得接觸面平均壓力為1 389 308 N，當(dāng)磨損深度h達(dá)到0.02 mm時(shí)閥門的啟閉次數(shù)為557次。

隨著磨損深度的增加，摩擦副的相對(duì)位移距離會(huì)變大，摩擦副之間的擠壓量變小，無(wú)法判斷密封面上接觸壓力的變化趨勢(shì)。建立0.02 mm磨損深度的模型，進(jìn)行仿真分析，得到其接觸面上壓強(qiáng)和穿透量見(jiàn)表4。

表4 磨損深度為0.02 mm時(shí)壓強(qiáng)及穿透量Tab.4 Pressure and penetration when the wear depth is 0.02 mm

從表中看出，隨著磨損的繼續(xù)，摩擦副接觸區(qū)域有所增加。計(jì)算得接觸面上平均壓力為1 852 191 N也增加明顯，這是因?yàn)槊芊饨佑|壓力的減少量比接觸面積的增加量要小，導(dǎo)致整個(gè)密封面平均接觸壓力增大。此外，可以看出最大接觸壓力出現(xiàn)在頂部接觸區(qū)域，這是因?yàn)殡S著磨損深度的增加，在頂部區(qū)域形成了尖銳形狀，而頂部區(qū)域又是最先接觸區(qū)域，所以導(dǎo)致出現(xiàn)了最大接觸壓力。計(jì)算出當(dāng)磨損深度到0.04 mm時(shí)閥門啟閉次數(shù)可達(dá)1 444次。

繼續(xù)按照磨損趨勢(shì)修改模型，建立0.04 mm磨損深度的模型，進(jìn)行仿真分析。其接觸面上壓強(qiáng)和穿透量見(jiàn)表5?？梢钥闯隹肯路綁毫按┩噶枯^大，但是從表中看出穿透量都在一個(gè)數(shù)量級(jí)，差別不是很大，較為平穩(wěn)，平均接觸壓力也下降到了1 306 203 N。計(jì)算出磨損深度到0.06 mm時(shí)閥門啟閉次數(shù)可達(dá)3 012次。同樣建立0.06 mm磨損深度模型進(jìn)行仿真分析。結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 損深度為0.04 mm時(shí)壓強(qiáng)及穿透量Tab.5 Pressure and penetration when the wear depth is 0.04 mm

表6 磨損深度為0.06 mm時(shí)壓強(qiáng)及穿透量Tab.6 Pressure and penetration when the wear depth is 0.06 mm

從表中可以看出此次磨損趨勢(shì)和首次磨損大致相同，但接觸區(qū)域擴(kuò)大兩倍而接觸壓力及穿透量縮小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是因?yàn)槊芊飧币呀?jīng)度過(guò)了磨合期，被磨損部件基本趨近于整平，與前一階段0.04 mm磨損深度下仿真結(jié)果相比，壓強(qiáng)值和穿透量的變化也不再劇烈，磨損率已經(jīng)變得穩(wěn)定。計(jì)算得當(dāng)磨損深度到0.08 mm時(shí)，也就是密封面間無(wú)擠壓量密封失效時(shí)，閥門可啟閉5 854次，滿足了中國(guó)電站閥門優(yōu)等品4 000次啟閉的標(biāo)準(zhǔn)。

從宏觀來(lái)看，在第4次模擬仿真時(shí)得到的磨損趨勢(shì)與首次相同，因此推測(cè)，在密封面接觸磨損過(guò)程中，可看作每3次為一磨損周期，首次接觸時(shí)磨損趨勢(shì)與接觸面形狀相符合；第2次接觸時(shí)在首先受到擠壓的上部分區(qū)域磨損較大；第3次接觸時(shí)下方區(qū)域有出現(xiàn)接觸壓力略大情況，但是整體差別并不明顯，磨損情況較為平穩(wěn)。

4 結(jié)論

（1）基于Archard磨損模型，通過(guò)離散化磨損深度，利用ANSYS有限元軟件模擬仿真閥門密封副之間的磨損情況。提出了預(yù)測(cè)密封面磨損情況的方法及流程，解決了閥門設(shè)計(jì)之初不適合耗費(fèi)大量財(cái)力物力來(lái)實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)密封材料磨損情況的問(wèn)題。

（2）以密封副初始擠壓量0.08 mm為例，計(jì)算當(dāng)0.02 mm磨損深度時(shí)，密封中間部分磨損劇烈，閥門已啟閉557次；當(dāng)0.04 mm磨損深度時(shí)，密封靠上區(qū)域磨損較為嚴(yán)重，閥門已啟閉1 444次；當(dāng)0.06 mm磨損深度時(shí)，密封靠下區(qū)域磨損略大但整體已趨近平穩(wěn)，閥門已啟閉3 012次；當(dāng)擠壓量被磨損完全時(shí)，閥門已啟閉5 854次。

（3）以0.02 mm磨損深度為間隔，通過(guò)仿真分析，根據(jù)穿透量分析密封面的磨損趨勢(shì)，以初始擠壓量0.08 mm被完全磨損為密封失效臨界，根據(jù)壓強(qiáng)計(jì)算平均接觸壓力，推算出閥門擁有5 854次的啟閉壽命，在閥門設(shè)計(jì)之初指導(dǎo)工程人員的設(shè)計(jì)，保證閥門的服役質(zhì)量，利于閥門密封結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。