熱力變形下渣漿泵機械密封干摩擦磨損分析*

殷潤生 穆塔里夫·阿赫邁德 耿 軍

(新疆大學機械工程學院 新疆烏魯木齊 830047)

在設備起停階段或出現(xiàn)操作失誤時，機械密封在干摩擦狀態(tài)下運轉，密封環(huán)端面會產(chǎn)生遠高于潤滑條件下的高溫及磨損[1]，嚴重影響機械密封的使用性能和壽命，導致生產(chǎn)中斷。因此，準確預測干摩擦狀態(tài)下機械密封的磨損及使用壽命，對保持設備安全及維持生產(chǎn)穩(wěn)定有重要意義。針對機械密封摩擦副密封環(huán)磨損及熱力變形，目前已有較多研究。其中磨損研究大多數(shù)集中于檢測不同材料摩擦副的耐磨性[2-6]，或表面不同涂層的耐磨性[7-11]，工況集中在干摩擦[12-15]，而對生產(chǎn)實際中機械密封的磨損研究較少。還有學者假設磨損痕跡存在從而計算磨損對密封性能的影響[16]，或基于Archard磨損理論和分形理論，建立了機械密封端面磨損的分形函數(shù)模型[17-20]。在機械密封熱力變形研究領域，學者們通過仿真或數(shù)值計算來獲得機械密封端面溫度場，但因對流換熱系數(shù)缺乏固定算法，常根據(jù)邊界條件選擇近似模型的對流換熱系數(shù)計算公式來替代[21-24]。還有學者在對機械密封溫度場研究的基礎上，提出了新的端面溫度冷卻方案[25-28]。目前，對于機械密封磨損的研究集中在檢測干摩擦下不同材料或不同涂層的抗磨性，對生產(chǎn)實際中機械密封的磨損研究較少。

本文作者以YWN8合金接觸式機械密封為研究對象，通過試驗測量材料的硬度、磨損系數(shù)、干摩擦因數(shù)；建立了基于熱力變形的機械密封磨損數(shù)值模型，對機械密封磨損進行數(shù)值模擬，得到了單力場及熱力變形下摩擦副密封環(huán)的磨損深度，對比了磨損理論值，分析了熱力變形下磨損深度與理論值不符的原因，為進一步研究打下了基礎。

1 數(shù)值分析

1.1 雙端面機械密封工作原理

以渣漿泵雙端面機械密封為研究對象，如圖1所示，密封介質(zhì)為磷礦漿，內(nèi)部導入冷卻水。因密封介質(zhì)顆粒多、硬度大，因此動靜環(huán)采用相同硬質(zhì)材料，為YWN8合金。

圖1 渣漿泵雙端面機械密封軸截面示意

從圖1中取出一個因干摩擦失效的摩擦副密封環(huán)，如圖2所示?？梢姡芊猸h(huán)表面出現(xiàn)熱裂紋和磨損，判斷該機械密封失效由磨損和熱力變形導致，因此文中通過建立干摩擦下基于熱力變形的機械密封磨損數(shù)值模型，對其磨損情況進行分析。

圖2 機械密封端面磨損情況

1.2 數(shù)值模型

對一對摩擦副密封環(huán)進行建模，其三維模型如圖3所示。密封環(huán)和密封環(huán)座尺寸見表1，具體材料參數(shù)見表2。

圖3 機械密封摩擦副密封環(huán)三維模型

表1 機械密封摩擦副密封環(huán)尺寸 單位：mm

對模型進行網(wǎng)格劃分，并做網(wǎng)格無關性驗證，如圖4所示?？芍?，當網(wǎng)格大于187 134后，其結果基本不變，因此網(wǎng)格數(shù)選擇為187 134。

圖4 網(wǎng)格無關性驗證

1.3 邊界條件

干摩擦運轉時，密封環(huán)端面受彈簧壓力作用，選取0.14、0.18、0.22、0.26 MPa 4組彈簧比壓作為變量，旋轉速度為研究對象實際工作轉速1 450 r/min。

摩擦熱為熱源，熱量由端面沿軸向傳給動靜環(huán)，動靜環(huán)與空氣產(chǎn)生對流換熱，與密封腔接觸面產(chǎn)生固體界面接觸換熱。

機械密封動靜環(huán)間摩擦熱流密度計算公式[29]為

q=fvpc

(1)

式中：q為熱流密度，W/m2；f為干摩擦因數(shù)，由試驗測得為0.1～0.2，文中選擇為0.15；v為動環(huán)端面線速度，m/s，pc為端面比壓，MPa。

計算得到熱流密度后需計算動靜環(huán)熱量分配占比。用公式(3)計算：

(2)

式中：qj為靜環(huán)端面分配熱流；qd為動環(huán)端面分配熱流；hd為動環(huán)軸向尺寸；hj為靜環(huán)軸向尺寸；λd為動環(huán)熱導率；λj為靜環(huán)熱導率。

為了方便計算，通常將于空氣換熱設置為隔熱，密封件與密封腔接觸部分存在固體界面接觸換熱，數(shù)值從文獻[30]中查出。其他參數(shù)見表1和2。

為了論述的清晰，我們按照受調(diào)查人員是否作為交際一方參與了自然發(fā)生的真實交際，將語用學研究中常用的語料收集方法分為“自然語料”和“引發(fā)式語料”兩大類：自然語料來自于受調(diào)查人員作為交際一方參與其中的言語交際行為，受真實交際意愿的驅動；引發(fā)式語料是指研究對象并沒有參與到真實的言語交際中，而是受研究工具的誘發(fā)和引導，從記憶中搜尋有關語言使用的信息，并報告出來，表演出來，或寫出來，受研究人員的研究目的驅動。

1.4 磨損條件

文中磨損理論采用ARCHARD磨損理論，見公式(3)

(3)

式中：γ為機械密封磨損深度，μm，Kw為磨損系數(shù)，為方便計算，假定文中磨損處于穩(wěn)定磨損階段，磨損系數(shù)不變；K/H為磨損率，mm3/(N·m)；pc為端面比壓；v為動環(huán)端面線速度；H為摩擦副密封環(huán)布氏硬度，具體數(shù)值見表2。其中材料磨損系數(shù)和硬度需通過試驗測量。

2 試驗研究

2.1 試驗系統(tǒng)與方法

YWN8合金硬度通過HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計測量。磨損系數(shù)及干摩擦因數(shù)用M2000型磨損試驗機測量，試驗后使用VHX-6000超景深顯微鏡進行三維可視化采集。

將干摩擦損壞密封環(huán)及同尺寸嶄新密封環(huán)各一個，分別切割成36份，1份用銅粉焊鑲嵌在長方體底座作為1個試件，每個密封環(huán)做12個試件。圖5所示為試件樣品，表面微坑來源于硬度測試。圖6所示為磨損試驗機工作原理及有限元模型，底座被夾具夾住保持靜止，摩擦副與密封環(huán)干摩擦接觸并隨磨損試驗機轉動。摩擦副與密封環(huán)材料為YWN8，底座材料為鑄鐵。

圖5 試驗樣品

圖6 試驗工作原理

試驗在M-2000型磨損試驗機上進行，試驗轉速為180 r/min，載荷分別為50、70、90、110 N，每組試驗參數(shù)下測試3次。文獻[29]提到機械密封磨損深度單位為μm/h，因此單次試驗時間為1 h。試驗后用超景深顯微鏡三維可視化采集磨損表面形貌及三維高度。以180 r/min、50 N試件為例，其試驗后磨損表面形貌及三維高度如圖7所示。

2.2 試驗結果

通過測試，嶄新合金環(huán)硬度為71HRC，干摩擦損壞后硬度下降21%，為56HRC，之后將其轉化為布氏硬度。

通過磨損試驗，嶄新合金環(huán)磨損試驗數(shù)據(jù)見表3，磨損系數(shù)為1.2×10-6，轉為磨損率為1.41×10-6mm3/(N·m)。文獻[31-32]中該值為1.2×10-6mm3/(N·m)，數(shù)據(jù)基本一致，判定試驗結果準確。有細微差距的原因是文獻中的鎳基碳化鎢含鎳量比文中材料高，更加耐磨。

表3 YWN8密封環(huán)試驗數(shù)據(jù)

2.3 磨損數(shù)值模型驗證

因全尺寸試驗成本較高，因此通過模擬磨損試驗來部分驗證數(shù)值模型的準確性。試驗有限元模型見圖6，邊界條件采用試驗參數(shù)。將仿真磨損深度與超景深掃描深度進行對比，如圖8所示。可知最大深度誤差在10%以內(nèi)，試驗磨損深度較大是因為試驗中存在磨粒磨損等其他磨損形式，并隨著壓力的增大，磨粒產(chǎn)生越快，磨粒磨損越多。以180 r/min、50 N試件為例，其仿真磨損形貌如圖9所示。與試件端面磨損表面三維高度圖(見圖7(b))對比可知，仿真磨損形貌與試件磨損形貌基本一致，均是中部最深延兩端及遠處逐漸變淺的趨勢。經(jīng)過對比證明磨損數(shù)值模型準確，可用于機械密封干摩擦磨損仿真。

圖8 試驗和仿真磨損深度對比

圖9 有限元仿真得到的磨損形貌

3 結果與討論

使用ANSYS的熱力模塊，將邊界條件加載到密封環(huán)上，插入WEAR指令，輸入材料磨損系數(shù)及硬度，增加用戶自定義結果，求解干摩擦運轉時密封環(huán)溫度場云圖、熱力變形情況，單力場及熱力變形下磨損形貌及磨損深度。

3.1 熱力變形分析

外界溫度為20 ℃、彈簧比壓為0.26 MPa、轉速為1 450 r/min時，干摩擦工況下密封環(huán)的溫度場云圖如圖10所示。動靜環(huán)溫度從端面延軸向遞減，靠近外側處因和端蓋或彈簧座相連存在固體界面接觸換熱，因此溫度較低。最高溫度在內(nèi)徑處，為84.555 ℃。從最高溫度可知，溫度并非該類機械密封失效的主要原因。

圖10 干摩擦工況下密封環(huán)溫度場云圖

圖11(a)所示為干摩擦下密封環(huán)端面的變形趨勢云圖，可知密封面由平行面轉變?yōu)槭諗棵?，之后?nèi)徑將相對外徑磨損更嚴重。

如圖11(b)、(c)所示，內(nèi)外徑之間出現(xiàn)了間隙，密封環(huán)內(nèi)徑最大出現(xiàn)1.52 μm的間隙，這將導致端面粗糙峰接觸面積減少，端面黏著磨損較熱力變形前呈下降趨勢，后續(xù)仿真結果證明了該觀點。

圖11 動靜環(huán)熱力變形云圖

3.2 磨損分析

文中從端面磨損形貌和磨損深度兩個角度分析仿真數(shù)值模型的準確性。

圖12所示為熱力變形下的仿真磨損云圖。可見內(nèi)徑磨損情況較為嚴重，這和圖2中實際端面磨損情況相符，證明仿真結果準確，原因是熱力變形下，內(nèi)徑處變形相對外徑更大，因此磨損較外徑更為嚴重。

圖12 機械密封磨損云圖

圖13所示為理論磨損深度、單力場仿真磨損深度與熱力變形下仿真磨損深度的對比。理論磨損值與單力場磨損值誤差在5%以內(nèi)，因為其均只考慮了壓力與轉速對磨損的影響，同時也證明了有限元模型計算準確。

圖13中，加入溫度場影響后，磨損深度大幅度下降，但根據(jù)兩點原因推斷其磨損值更符合實際：

(1)學者們已多次證明多物理場下機械密封變形、應力等參數(shù)比單物理場時更符合實際[23-24]；

(2)在文中熱力變形中分析時，已推斷出密封環(huán)熱力變形后端面黏著磨損較變形前呈下降趨勢，而理論公式并未考慮端面變形對磨損的影響。

綜上所述，熱力變形下機械密封磨損值比理論值和單力場值更加準確，未來研究可考慮在Archard公式中增加代表溫度場的影響因子，從而使公式更準確。

4 結論

通過熱力變形下的磨損計算，分析YWN8合金機械密封摩擦副密封環(huán)的溫度場和磨損形貌、磨損深度，試驗測量了合金的硬度、磨損系數(shù)、干摩擦因數(shù)。得到以下結論：

(1)干摩擦工況下密封環(huán)端面溫升較低，因此溫度并非該類機械密封失效的主要原因。

(2)熱力變形后端面形成收斂面，內(nèi)徑變形更大，因此內(nèi)徑磨損較外徑更為嚴重，和實際相符。

(3)熱力變形下密封面內(nèi)外徑間隙增大，造成端面粗糙峰接觸面積減小，黏著磨損較變形前呈下降趨勢，造成磨損深度與理論值不符。

(4)熱力變形下磨損有限元模型能較為準確地計算密封環(huán)磨損深度，未來研究可考慮在Archard公式中增加代表溫度場的影響因子，從而使公式更準確。