基于碳陶复合材料的机械密封摩擦副温度场数值模拟

摘 要：本文对碳陶复合材料进行机械密封摩擦副温度场分布的数值模拟进行分析，并对其热传导性能及温度场影响因素进行分析。研究内容涉及建立有限元模型、进行动环与静环间摩擦生热及热传导过程的模拟分析，并通过实验对模拟结果的准确性进行验证。结果发现，由于碳陶复合材料的高热导率和较大比热容，其能有效降低摩擦副的最高温度，避免局部过热现象，从而对机械密封系统的性能和使用寿命都有很好的改善作用，该研究为机械密封设计和材料选择提供了科学依据，具有重要的应用价值。

关键词：碳陶复合材料；数值模拟；热传导；实验验证

1 前言

随着工业技术的不断发展，机械设备的运行环境日益复杂，对机械密封材料的要求也不断提高。碳陶复合材料由于其优异的力学性能和热学性能，成为机械密封摩擦副中的重要材料。摩擦生热导致的温度场分布问题直接影响机械密封的性能和寿命，研究碳陶复合材料摩擦副的温度场分布规律，具有重要的理论和实际意义。本文采用数值模拟方法，分析碳陶复合材料机械密封摩擦副的温度场分布，并通过实验验证模拟结果，为优化机械密封设计提供参考。

2碳陶复合材料的特性与应用

2.1碳陶复合材料的基本特性

碳陶复合材料由于其在高温和高应力环境下的优异表现，逐渐成为工业领域的重要材料，是一种新型复合材料。碳陶复合材料具有极高的强度和刚性，在高强度要求的应用场合，碳陶复合材料的密度较低，可以承受巨大的机械应力，使之表现优异。该材料韧性较好，抗破坏能力较好，能应对震荡和震动。在高温环境下，碳陶复合材料保持稳定，不容易出现热膨胀和热疲劳，它的热膨胀系数低，导热性能极佳，可以很快地将热量散发出去，避免局部过热。该材料还具有不易被化学介质侵蚀的良好化学稳定性和耐腐蚀性，使其寿命得以延长。

2.2碳陶复合材料在机械密封中的应用

传统的密封材料在高温、高压和高转速条件下容易失效，而碳陶复合材料由于其优异的热学和力学性能，成为解决这一问题的理想选择。碳陶复合材料在机械密封中的应用主要表现在动环和静环等关键部件上。动环和静环的表面经过精密加工，以确保其光滑度和密合度，从而降低泄漏风险。由于碳陶复合材料具有良好的耐高温性能，动环和静环在高温条件下依然能保持稳定的密封性能。其耐磨性能使得密封部件在长时间运转中磨损较小，延长了密封系统的使用寿命。碳陶复合材料还具有优良的化学稳定性，在化工、石油等行业中，能有效抵抗各种腐蚀性介质的侵蚀，保证密封系统的可靠性和稳定性。这些特性使得碳陶复合材料在航空航天、汽车制造、能源等领域的机械密封应用中表现出色，显著提升了设备的整体性能和运行效率。

2.3碳陶复合材料在摩擦副中的应用现状

在摩擦副系统中，影响系统性能的要害是摩擦生热和磨损。在各种高性能刹车盘、离合器片、轴承等摩擦副件上，碳陶复合材料已得到了广泛的应用。在汽车工业中，碳陶复合制动盘在大幅延长制动盘使用寿命的同时，还能在高温高压条件下保持良好的制动性能，缩短刹车距离，提高安全性，因为它的热稳定性和耐磨性非常出色。在航空航天领域，飞机制动系统和高性能涡轮叶片等部件都采用了碳陶复合材料，其强度高、密度低、耐高温的特点大大提高了可靠性和运行效率。在高温、高速、高压环境下，碳陶复合材料轴承、密封件性能优异，使设备维护费用降低，停机时间增加，生产效率得到提高。

3机械密封摩擦副温度场的理论分析

3.1机械密封摩擦副的工作原理

通过动环与静环之间的密封面，实现流体的有效隔离，防止内部介质泄漏，是机械密封摩擦副在工业设备中所起到的至关重要的作用，包括摩擦、磨损、润滑、热传导等多种物理过程。机械密封摩擦副的工作原理复杂，其核心在于动环与静环之间的微小空隙，使两个密封面紧密贴合，形成一道屏障，通过精密的加工和弹性元件的压强，阻止介质的渗漏。动环与静环之间在机械密封操作过程中有相对运动，产生摩擦力，产生摩擦生热，从而对密封性能产生影响。

密封面上的摩擦力可以表示为：

Ff =μFn （1）

其中，Ff为摩擦力，μ为摩擦系数，Fn为正向压力。正向压力由弹性元件（如弹簧）的预紧力和介质压力共同作用产生，确保密封面始终保持贴合状态。摩擦副的润滑状态对密封性能至关重要，常见的润滑状态包括液膜润滑、边界润滑和干摩擦。液膜润滑是通过在密封面之间形成一层流体膜，减小摩擦和磨损，提高密封寿命和可靠性。

摩擦生热是另一个重要的影响因素，摩擦生热使得密封面的温度升高，温度场分布直接影响密封面的材料性能和密封效果。热传导方程描述了温度场的分布情况：

（2）

其中，ρ为材料密度，c为比热容，K为热导率，T为温度，t为时间，Q为单位体积内产生的热量。摩擦生热产生的热量通过热传导在材料内部和表面扩散，形成温度梯度，影响密封面的热膨胀和接触压力。

磨损不仅会改变密封面的形貌和表面粗糙度，还会影响密封间隙和密封性能。Archard磨损模型用于描述磨损量与接触压力、相对滑动距离之间的关系：

（3）

其中，VW为磨损体积，K为磨损系数，Fn为正向压力，L为相对滑动距离，H为材料硬度。通过控制密封材料的选择、表面处理和润滑条件，可以优化摩擦副的性能，减少磨损，延长密封系统的使用寿命[1]。

3.2温度场的影响因素

摩擦副在工作过程中，动环和静环之间的相对运动会产生摩擦力，而摩擦力在摩擦界面上做功，将机械能转化为热能，导致温度上升。摩擦生热的大小取决于摩擦系数、接触压力和相对滑动速度。材料的热传导性能也对温度场分布产生重要影响，材料的热导率决定了热量在材料内部的传导速度和传导路径。高热导率材料能够更快地将热量从摩擦界面传导至其他区域，从而降低摩擦界面的温度。材料的比热容和密度也影响温度场的变化，比热容较大的材料在吸收相同热量时，温度升高较慢，能够更好地平衡温度场分布。摩擦副表面的热量通过热传导在材料内部扩散，表面热量通过对流散热到周围介质中。对流散热的效率取决于介质的流动状态、流速和热传导系数。在液体介质中，对流散热效率通常较高，能够有效降低摩擦副表面的温度。

4数值模拟方法

数值模拟的基本原理是基于偏微分方程的数值解法，主要包括离散化、求解和后处理三个阶段。离散化是数值模拟的核心步骤，它将连续的物理问题转化为离散的数值问题。常用的离散化方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法。有限元法因其适应复杂几何形状和边界条件的能力，被广泛应用于热传导问题的数值模拟。有限元法通过将求解区域划分为有限个小单元，每个单元用简单的多项式函数近似描述温度场分布，从而将原问题转化为单元上的离散方程，对于热传导方程如上述公式（2）所示。

在有限元法中，其离散化为代数方程组，以包含温度场节点值和时间步长的矩阵形式表示，通过加权余量法和变分法。解法阶段为温度场数值解法，利用数值计算解法，求得离散后的代数方程组。对于稳态题来说，解法比较简单，温场分布只要一次解出来就可以了。而对于瞬态题，温度场的随时间演化需要用时间步进法来逐步求解。常用的时间步进法包括用于复杂热传导问题的解决，稳定性和收敛性较好的显式和隐式方法。解法时还需考虑确定温场具体分布和变化的热边界条件和初始条件的设SCW3q+XtFEZF92tvU/PR7QzteyaWFvEYFnxWTmSBU5c=置[2]。

5数值模拟结果与分析

5.1模拟结果的可视化

模拟结果的可视化是将数值模拟获得的数据以图形和图表的形式呈现，直观地展示温度场的分布和演化过程。利用有限元分析软件，生成摩擦副温度场的等温线图和温度分布云图，可以清晰地观察温度在不同区域的梯度变化和热点位置。表1为某一工况下的温度分布结果。

5.2结果分析

从数值模拟的结果来看，温度最高的是接触面附近，达到了150.3℃。这是由于摩擦力在接触面上做功，发热很多。在吸收相同热量时，比热容和密度更高的材料的温度会缓慢上升，这有助于温场分布的平衡。在这项研究中，高热导率和大比热容的碳陶复合材料使总体温场分布更加均匀。还有一个重要的影响因素，就是对热的流动。模拟结果显示，通过对流换热散失到周围介质中，动环和静环表面的热量使表面温度明显降低。对流换热效率的高低，取决于介质的流动状态，也取决于介质的热传导系数的高低。采用冷却液在模拟工况下进行强对流换热，从而有效地控制了表面温度。表2是相同工况下不同导热材料温度分布的比较。

5.3模拟结果的验证

为了验证数值模拟结果的准确性，需要通过实验方法进行对比验证。在实验中，通过在机械密封摩擦副上安装温度传感器，实时监测不同位置的温度变化，并与数值模拟结果进行对比。表3为某一工况下实验测得的温度数据与模拟数据的对比。

对比试验资料可知，模拟结果与实验数据基本相符，其温度误差在可接受的范围内。这就对数值仿真方法的精确性和可靠性给予了肯定。主要误差来源是材料热物性参数的不确定性和试验测量误差，如能进一步优化材料参数和试验条件，可使模拟结果的精确度得到进一步的提升。这为设计和开发具有良好性能的高温合金材料提供了一个可靠的数值模拟基础[3]。

6结论

该文对机械密封摩擦副温度场分布基于数值模拟的方法进行了研究，并对主要影响因素摩擦生热材料热导率和对流换热等进行了分析。经研究得出，碳陶复合材料的优异热传导性能可以有效降低摩擦副的最高温度，使温度分布更为均匀。实验验证结果与模拟数据高度一致，证明了数值模拟方法的精确性和可靠性，为优化机械密封设计和材料选择提供科学依据，使机械密封系统的性能和使用寿命得到提高。因此，本研究对机械密封领域的发展具有重要意义。

参考文献

[1]王金刚，张安妮，郭志鹏.碳纤维陶瓷基复合材料用于密封摩擦副的温度场研究[J].液压与气动，2018（12）：90-96.

[2]徐达，李志鹏，杨建文，等.基于FLUENT的机械密封温度场影响因素对比分析[J].矿山机械，2015，43（1）：104-109.

[3]张明明，郝木明.机械密封腔内流场及摩擦副温度场的数值计算[J].石油化工设备技术，2008（1）：63-66+22.

基金项目：1.本文系陕西省教育厅2023年度一般专项科学研究计划项目省级研究课题“碳纤维增强SiC陶瓷基复合材料用于机械密封摩擦副的导热性能研究”（课题编号：23JK0316）。

2.陕西国防工业职业技术学院校级研究课题“碳纤维增强陶瓷基复合材料在搅拌设备机械密封中的应用研究”（课题编号：Gfy22-35）。