接触式机械密封稳态摩擦特性研究

郝木明 宋勇 王顺吉 孙彭涛 任宝杰 李勇凡 王增丽

摘要：接触式机械密封在运转中主要处于混合润滑状态，其端面间隙与表面粗糙度处于同一数量级。为探究混合润滑状态下接触式机械密封的摩擦磨损特性，分析端面温度和摩擦扭矩等性能参数受工况参数的影响规律，结合平均雷诺方程以及ZMC接触模型，求解混合润滑端面间的接触特性，建立混合润滑磨损模型，研究接触式机械密封在润滑条件下，摩擦特性参数随操作参数的变化规律，开展了相应的试验研究，并对理论分析结果进行验证。研究结果表明：随介质压力增加，微凸体接触力占比增加，通过改变端面间接触状态来改变摩擦状态；随转速增加，端面间接触状态不变，但转速加大了端面间磨损距离与温度，进而导致磨损加剧；在压力影响试验中，密封环温度和密封腔温度随压力变化成正比，且每次压力变化都使得密封环温度产生阶跃变化。所得结论对机械密封因过热和磨损导致的失效现象分析具有一定的理论指导意义。

关键词：接触式机械密封；混合润滑；摩擦特性；端面温度；摩擦扭矩；接触状态

The contact mechanical seal is mainly in a mixed lubrication state during operation， and its end clearance and surface roughness are in the same order of magnitude.In order to explore the friction and wear characteristics of contact mechanical seal in the mixed lubrication state， the influences of working parameters on the performance parameters such as end face temperature and friction torque were analyzed.Then， combined with the average Reynolds equation and the ZMC contact model， the contact characteristics between mixed lubrication end faces were solved.The mixed lubrication wear model was built to study the variation of friction characteristic parameters with operating parameters of contact mechanical seal under lubrication conditions.Finally， corresponding experimental research was carried out to verify the theoretical analysis results.The research results show that， with the increase of medium pressure， the proportion of asperity contact force increases， and the friction state is changed by changing the contact state between the end faces.With the increase of rotation speed， the contact state between the end faces remains unchanged， but the rotation speed increases the wear distance and temperature between the end faces， which leads to the aggravation of wear.In the pressure influence test， the temperature of the sealing ring and the temperature of the sealing cavity are proportional to the pressure change， and each pressure change makes the temperature of the sealing ring have a step change.The conclusions have certain theoretical guiding significance for the failure analysis of mechanical seal caused by overheating and wear.

contact mechanical seal；mixed lubrication；friction characteristics；end face temperature；friction torque；contact state

0 引 言

接觸式机械密封在石油化工、航空航天、核电及冶金等诸多领域广泛应用，但在实际运转中，密封往往要面对各类复杂和极端工况，失效问题十分常见，而密封一旦失效，造成的损失远大于密封本身的价值［1-3］。接触式机械密封在运转中主要处于混合润滑状态，其端面间隙与表面粗糙度处于同一数量级［4-5］，间隙偏大可能造成泄漏量超标，间隙过小则会造成磨损严重。端面磨损是制约接触式机械密封使用寿命的重要因素，因此，使用寿命与泄漏量之间的平衡是机械密封摩擦特性研究需要解决的重要问题［6-8］。

现阶段对密封磨损特性的理论研究主要包含2类。一是以Archard磨损模型［9］为基础，例如惠玉祥等［10］建立了考虑磨损的接触式密封性能计算模型，在考虑变形与磨损的基础上计算密封性能参数；马润梅等［11］通过有限元分析的方法研究了干摩擦机械密封变形以及磨损状况，并通过试验验证了计算模型的正确性。二是以分形理论为基础，例如李小彭等［12］建立了分形磨损模型，研究分形参数对磨损的影响；张正棠［13］基于分形理论对干气密封环的摩擦磨损进行数值模拟，分别建立了基于磨粒磨损和黏着磨损2种磨损形式的磨损模型。

然而，现有研究大多仅考虑端面固相直接接触导致的磨损，未考虑润滑介质对端面间流场特性以及磨损特性的影响。为此，笔者结合平均雷诺方程以及ZMC（粗糙表面弹塑性微观接触模型）接触模型，求解混合润滑端面间的接触特性，建立混合润滑磨损模型，研究接触式机械密封在润滑条件下，摩擦特性参数随操作参数的变化规律，并开展相应的试验研究，以对理论分析结果进行验证。所得结论对机械密封因过热和磨损导致的失效现象分析具有一定的理论指导意义。

1 理论模型

1.1 粗糙表面间流体润滑控制方程

采用混合润滑的平均雷诺方程计算端面间流场分布，其柱坐标表达式如下［14］：

2 理论结果分析

2.1 转速对摩擦特性的影响

图1为转速对摩擦特性的影响曲线。由图1可知，随着转速变化，由于端面间只存在静压效应，液膜力保持不变，占闭合力的30%，所以接触摩擦扭矩不变。随着转速的增大，液膜黏性剪切摩擦力变大，进而导致总摩擦扭矩增大。随着密封转速增大，端面间的摩擦生热量增大导致端面峰值温度上升；在滑动接触线速度与界面闪温的共同影响下，磨损率呈现二次曲线增长趋势。

2.2 介质压力对摩擦特性的影响

图2为介质压力对摩擦特性参数的影响曲线。由图2可知，随着密封介质压力的增加，端面间液膜流体静压效应变大，液膜承载力增加，但是液膜承载力增加的幅度不足以平衡密封闭合力，因此微凸体接触力以及液膜承载力都呈线性增加。同时由于端面间接触状态发生转变，端面间接触摩擦扭矩与液膜黏性剪切扭矩同时增加。介质压力的增加导致端面间隙减小，端面间微凸體接触力增大，端面间产生更多的接触摩擦热，进而导致端面温度上升；微凸体接触力的增加以及温度的升高同时加剧了软质环的磨损。

3 试验验证

3.1 测试方案

在测试方案中，采用单个被测密封对，在电机连续运转的情况下，连续改变工况，采集整个过程中端面温度以及摩擦扭矩的变化规律。在静环圆周方向均布4个测温盲孔，将热电偶插入静环测温孔中，实现对端面4个点温度的实时测量。摩擦扭矩采用转速转矩仪测量。

3.2 介质压力的影响

3.2.1 温度结果

图3为介质压力对温度的影响曲线。

由图3可以发现：随着不同压力条件的变化，密封环温度出现明显的阶跃现象，且与介质压力变化成正比关系，每当介质压力升高0.1 MPa，密封环温度升高约5 ℃，4个传感器测得温度从30 ℃升到120 ℃，温度上升较为明显；但密封腔温度上升趋势始终保持稳定，在压力变化时只出现小幅度的波动现象。

通过密封环温度计算结果与模拟结果的对比发现，理论计算与试验结果误差约为12 ℃，误差率为12%，且压力越高，误差越大。分析误差产生的原因可能包括以下几点：①试验过程中测量位置距离端面有2 mm距离，会导致一定的温度差距；②模拟过程中未考虑换热器和管道对介质温度的影响；③模拟过程中假设密封环背面绝热，实际上密封环与静环座、弹簧座都存在一定的热量传递。

3.2.2 摩擦扭矩结果

图4为介质压力对摩擦扭矩的影响曲线。由图4可以发现：随着介质压力的增加，摩擦扭矩不断变大，但由于试验采用全新的密封环，在开始运转的过程中必定存在磨合过程，所以在0.1～0.2 MPa下摩擦扭矩呈现小幅度下降；在0.2 MPa以后，摩擦扭矩与介质压力呈近似正比关系。将每个工况下的摩擦扭矩求平均值作为该工况下的摩擦扭矩值，与模拟计算的结果进行对比，可以发现，摩擦扭矩随着介质压力的升高而增大，但试验结果与模拟结果具有一定差距。

3.3 转速的影响

3.3.1 温度结果

图5为转速对温度的影响曲线。从图5可以看出：随着转速的增加密封环温度呈阶跃式增加趋势，每次转速变化500 r/min，温度升高约5 ℃，密封腔温度与密封环温度变化趋势相同，在转速突变时密封腔温度变化滞后于密封环温度，且升高速率较慢；理论计算结果与实际测量结果整体趋势相同，平均误差为15%，但转速越高，结果差距越大。

3.3.2 摩擦扭矩结果

图6为转速对摩擦扭矩的影响曲线。由图6可以发现：随着转速的提升，摩擦扭矩不断变大，转速每提高500 r/min时，摩擦扭矩增加约0.04 N·m，且每次工况变化会改变端面摩擦状态，需重新进入一个短时的磨合期，因此会出现峰值；试验结果与模拟结果整体趋势一致，误差保持在0.2 N·m左右。分析认为，产生误差的原因为理论计算中未考虑密封介质黏度变化对摩擦扭矩的影响，密封运转时产生的温升会导致密封介质黏度以及轴承箱润滑脂黏度的减小，因此引起一定误差。同时可以发现，试验结果增加速率略高于模拟结果，产生该现象的原因为模拟计算过程中将端面假设为纯平面，而实际上端面存在微凸体，转速越高，端面间微凸体相互碰撞产生的摩擦扭矩越大，因此试验结果的增速高于模拟结果。

4 结 论

本文在考虑润滑的前提下，建立了接触式机械密封稳定磨损阶段的磨损模型，分析计算不同工况对接触式密封摩擦特性参数的影响，得到如下主要结论：

（1）所给计算条件下，微凸体接触力占比均大于液膜承载力占比，且介质压力会对端面间接触状态产生较大影响。

（2）随介质压力增大，微凸体接触力占比增加，通过改变端面间接触状态来改变摩擦状态；随转速增加，端面间接触状态不变，但转速加大了端面间磨损距离与温度，进而导致磨损加剧。

（3）在压力影响试验中，密封环温度和密封腔温度随压力变化成正比，且每次压力变化都使得密封环温度产生阶跃变化；由于运转初期存在短时间磨合过程，摩擦扭矩出现短时下降趋势，而后扭矩与压力变化成正比关系。

（4）在转速影响试验中，密封环与密封腔的温度与转速成正比，且在转速变化时也出现小幅度温度阶跃；摩擦扭矩总体变化趋势与转速成正比，但是在每次工况变化时，密封都会进入一个短时的磨合期，导致摩擦扭矩出现小幅峰值。

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第一郝木明，教授，博士生导师，生于1964年，2003年毕业于俄罗斯乌法国立石油技术大学，获博士学位，现从事流体动密封相关研究及应用工作。地址：（266580）山东省青岛市，电话：（0532）86983521。Email：haomm@upc.edu.cn。