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接触式机械密封摩擦性能实验研究

2016-09-05於秋萍孙见君马晨波

实验技术与管理 2016年2期
关键词:磨损率摩擦系数端面

於秋萍, 孙见君, 于 波, 马晨波

(南京林业大学 机械电子工程学院, 江苏 南京 210037)



接触式机械密封摩擦性能实验研究

於秋萍, 孙见君, 于波, 马晨波

(南京林业大学 机械电子工程学院, 江苏 南京210037)

为研究和掌握机械密封端面的摩擦特性,理论上分析了其摩擦特性参数,通过摩擦磨损实验得到了这些参数的变化规律,并建立了磨损率的时间相关模型。研究表明:工作在70 ℃、N32液压油下、转速为3 000 r/min、端面比载荷为0.558 44~1.675 32 MPa的机械密封处于混合摩擦状态;摩擦特性参数具有载荷相关性和时间相关性;摩擦力矩及摩擦系数随载荷增大而增大,随时间增加而减小;磨损率随载荷增大而增大,随时间呈指数下降趋势,实验条件下密封端面的预测寿命为191.5~464.8 d。该研究有利于拓展机械密封摩擦机理的研究途径,为机械密封寿命预测提供一定思路。

机械密封; 摩擦特性; 实验研究; 寿命预测

接触式机械密封制造工艺简单,制作和维护成本低,在设计工况下有着良好的密封性能和可靠性。有关资料表明,在50 ℃下工作的接触式机械密封,其寿命可达5年[1],用于水泵上的更是长达40年之久[2]。在能源与资源尤为紧缺、安全生产和环境保护要求日益严格的今天,接触式机械密封再次成为国内外学者和工程技术人员关注的焦点。

端面摩擦特性(即抵御摩擦磨损的能力)是接触式机械密封的基本性能之一。在一定工况条件下,密封端面的相对运动引起的摩擦力和磨损系数决定着机械密封的使用寿命。用合适的参数表征密封端面的摩擦特性,可以掌握其摩擦磨损过程中的变化规律,对于改善其摩擦性能、减少磨损有重要意义。

1 摩擦特性参数

机械密封端面的摩擦特性参数主要包括摩擦力矩、摩擦系数、磨损量和磨损率。在机械密封中,摩擦力矩是通过测量获得的。其测量原理是:当摩擦副之间相对旋转时,由于轴向实验负荷力的作用而生成界面摩擦力,产生一个反方向的摩擦力矩,并通过一根钢丝施加到荷重传感器上;传感器将荷重信号转换成电信号送到称量控制器,并按一定的比例关系显示实时摩擦力值;同时该力值还由控制器的输出端转换成标准数字信号输送入计算机,由计算机应用软件最终计算出实际的摩擦力矩和摩擦系数。

摩擦系数f一般是通过实验测出摩擦力矩后,由下式求出的:

(1)

式中:M为摩擦力矩(N·m);pg为密封端面比载荷(MPa);Rm为密封面平均半径(m);A为密封面积(m2)。

在正常情况下,机械密封的寿命主要取决于密封面的磨损,有两种表示形式,即磨损量及磨损率。磨损量[3]指的是摩擦元件磨损面法向尺寸的改变、摩擦元件体积和重量的改变。测量磨损量的方法主要有称重法和测厚法。称重法利用高精度天平称量密封件试验前后的质量,用密封件的失重量表征磨损程度。测厚法是用仪器(如螺旋千分尺)测量密封件前后的厚度,以厚度值的变化表征磨损量。

(2)

2 工况参数

工况参数G是Stribeck研究轴承润滑特性时提出的参数,表示液膜黏性力与载荷之比[5],反映了密封端面间流体的动压效应。G与流体种类、密封面相对速度、密封面几何尺寸及流体压力有关[6]。

(3)

式中,η为密封端面间流体的黏度(Pa·s);v为密封面滑动的平均线速度(m·s-1);b为密封面宽度(m);Fg为施加的载荷(N)。

其中,端面间介质的黏度受其温度影响,可以用下式[7]进行计算:

(4)

式中,ξ为实验常数(Pa·s),在不同温度下由实验求得;R为气体常数,R=8.314×10-3J·/(mol·K);Ec为黏流活化能(J·mol-1);θ为摩擦端面间介质的平均温度(K),θ=θ+θ介质,θ为动、静环端面密封间隙中介质平均温度与被密封介质或冲洗介质温度差[8],,r、st为动、静环材料的导热系数

(W/(m·K));Cw为散热系数,根据冷却液体和工作条件不同,一般取0.2~0.9。

可用G值来划分机械密封端面的摩擦状态[9]:G>1×10- 6为流体摩擦;2×10- 8

也可根据图1所示的f-G摩擦特性法来判断端面的摩擦状态[10-11]。A点右侧为流体摩擦区域,A点到C点间的区域为混合摩擦区域,C点左侧区域为边界摩擦区域。

图1 f-G理论摩擦特性图

3 端面摩擦特性实验研究

3.1实验条件

在MMU-2高速端面摩擦磨损实验机上,对硬质合金YG8(动环)与碳石墨M106K(静环)配对的密封端面进行摩擦磨损实验,考察转速为3 000 r/min,端面载荷分别为400、600、800、1 000、1 200 N,时间分别为2、4、6、8、10 h时,摩擦力矩、摩擦系数、磨损率、工况参数的大小及动态变化。其中,动环内外直径分别为50 mm和63 mm,初始表面粗糙度Ra=0.02m;静环内外直径分别为53 mm和61 mm,初始表面粗糙度Ra=0.4m。实验中采用N32液压油(32号抗磨液压油)作为润滑介质,实验温度为70 ℃。

3.2实验结果及分析

对端面载荷分别为400、600、800、1 000、1 200 N,时间分别为2、4、6、8、10 h时的相关参数进行整理、计算,数据见表1。表1中,摩擦力矩是除去突变阶段、奇异值之后稳定阶段的平均测量值;摩擦系数是对应于摩擦力矩的值;磨损率是单位时间内静环端面的磨损厚度,工况参数由式(3)和式(4)计算。

表1 摩擦特性参数实验数据

由图2可知,摩擦力矩随载荷增大而增大,随磨损时间的延长而减小。载荷越大,密封端面之间贴合得越紧密,微凸体变得越小,贮存润滑介质的能力减弱,表现在机器运转时所需的力矩也就越大;磨损时间延长,表面逐渐光滑,表面微凸体对对偶面的犁削程度降低,端面摩擦扭矩减小。此外,可以看出,载荷较小时摩擦力矩减小得较为平缓,载荷越大摩擦力矩减小得越迅速,这说明摩擦力矩受载荷的影响较大。

图2 摩擦力矩随时间的变化

从图3可以看出,摩擦系数也随载荷增大而增大,随磨损时间的延长而减小,只是程度、规律与摩擦力矩有所不同。从摩擦系数和载荷的关系式(见式(1))看出,尽管摩擦系数与载荷成反比,但由于载荷的增大引起的端面摩擦扭矩幅度更大,致使摩擦系数亦增大;而磨损时间延长,端面摩擦扭矩将随表面逐渐光滑及表面微凸体对对偶面的犁削程度降低,在载荷一定的条件下摩擦系数减小。

图3 摩擦系数随时间的变化

判断密封端面的摩擦状态,可以从摩擦系数f、工况参数G或f-G摩擦特性图着手。由表1可知,密封端面的摩擦系数处于Lang划分的混合摩擦范围内[12],工况参数处于陈国桓划分的混合摩擦范围,且从图4可以看出,f-G也与图1中混合摩擦区域的变化趋势相似。据此,可以判断,在本实验条件下,机械密封处于混合摩擦状态。

图4 f-G摩擦特性图

图5为磨损率随时间的变化。在相同的时间下,载荷越大磨损率越大;随着时间的增加,磨损率均呈下降趋势且载荷越大下降得越快,最后趋于稳定。由磨损率的计算公式(见式(2))可知,在同一时间下,磨损率与磨损量相关,载荷越大,密封端面贴合得越紧,硬质面对软质面上微凸体的犁削作用越大,磨去的材料越多,因此磨损率随载荷的增大而增加;随着时间的延长,虽然总的磨损量在增加,但由于表面越来越光滑,单位时间内的磨损量是在下降的;可以预见,时间越来越长,磨损率的下降会越来越缓慢,最终趋于稳定。

图5 磨损率随时间的变化

表2 磨损率的拟合常数值

由图6可以看出,拟合值与实际值较为吻合,偏差很小,因此可以利用方程=A1exp(-t/B1)+C1对磨损率建立时间相关的模型,预测密封端面在特定条件下的磨损率及其能够抵御摩擦磨损的时间(即密封端面的寿命)。在本实验中,静环密封面的厚度为3 mm,磨去这3 mm厚度的时间即为密封端面的寿命。

图6 磨损率的实际值与拟合值的比较

以载荷为400 N的为例,说明计算过程如下:

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

同样地,计算出Fg=600、800、1 000、1 200 N时密封端面的寿命为:Fg=600 N时,t=6012.25h250.5 d;Fg=800 N时,t=4 844.15 h201.8 d;Fg=1 000 N时,t=4 788.8 h199.5 d;Fg=1 200 N时,t=4 596.4 h191.5 d。

4 结论

(1) 工作在N32液压油(温度为70 ℃)下、转速为

3 000 r/min、载荷为400、600、800、1 000、1 200 N(端面比载荷为0.558 44~1.675 32 MPa)的接触式机械密封处于混合摩擦状态。

(2) 密封端面的摩擦特性参数有一定的变化规律,具有载荷相关性和时间相关性。摩擦力矩及摩擦系数随载荷增大而增大,随时间增加而减小;磨损率随载荷增加而增加,随时间呈指数下降趋势,最后趋于稳定。

(3) 建立的磨损率-时间相关模型与实验数据较吻合。根据此模型,可以预测出在实验条件下密封端面的寿命为191.5~464.8 d。

References)

[1] Schmidthals C. Application of a diagnostic system for mechanical seals[C]//IMechE.2003:177-185.

[2] Burgman Dichtungswerke Gmbh Co K G. Original patented mechanical seal type still in service after 40 years[J]. World pumps, 2003(10):17-18.

[3] 徐灏.机械设计手册[M].北京:机械工业出版,1991.

[4] 顾永泉.机械密封实用技术[M].北京:机械工业出版社,2001.

[5] 鹫田彰.机械密封[M].上海:化学工业部设备设计技术中心站,1979.

[6] 胡国桢,石流,阎家宾.化工密封技术[M].北京:化学工业出版社,2009.

[7] 陈惠钊.粘度测量[M].北京:中国计量出版社,1994.

[8] Mayer E.机械密封[M].6版.姚兆生,许仲枚,王俊德,译.北京:化学工业出版社,1981.

[9] 陈国桓.流体动压效应与密封准数G [ J].化工机械,1979,6 (1):1-8.

[10] Lebeck A O. Hydrodynamic Lubrication in Wavy Contacting Face Seals-A Two Dimensional Model[J]. Journal of Lubrication Technology:ASME,1981,103(4):578-586.

[11] 顾永泉.机械密封的相似准数[J].化工机械,1997,24(4):237-243.

[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

国家自然科学基金项目“接触式机械密封界面的逾渗机制及泄漏流体流动特性研究”(51375245)

於秋萍(1988—),女,江苏南京,硕士,助理实验师,研究方向为机械密封理论及实验研究.

E-mail:yuqiuping1103@163.com

TH136

A

1002-4956(2016)2- 0038- 04

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