基于分形理论的机械密封干摩擦时端面接触特性的研究

针对碳石墨与碳化钨配对机械密封在干摩擦时端面的接触特性进行研究,在考虑动、静环材料属性,端面微凸体之间的相互作用,摩擦运动方向及摩擦热流的基础上,建立了3维粗糙实体与理想光滑刚体的转动摩擦热-力耦合模型,采用ABAQUS有限元分析软件对其瞬时干摩擦过程进行数值模拟。研究结果表明:粗糙端面的真实接触面积随外载荷的增大近似线性增加;随着外载荷与滑动速度的增加,粗糙端面最大接触压力保持在415~432 MPa范围内,表现出"自限性";粗糙端面温度分布不均匀,外载荷与速度增加会导致端面整体温度增加。端面最高温度的位置受到局部接触压力和局部滑动速度及局部热传递的共同影响;API682标准中提出抑制机械密封的介质压力≤0.07 MPa是有必要的,可以防止干摩擦时密封环温升过高。研究可为探索机械密封摩擦端面热损伤、摩擦磨损研究及机械密封设计提供借鉴。

机械密封在干摩擦状态下的摩擦界面热力耦合分析

依据W-M分形函数建立了接触式机械密封摩擦副三维瞬态滑动接触模型,考虑了接触微凸体之间相互机械作用和摩擦的热力耦合,基于ABAQUS分析平台,首次提出了能够模拟机械密封摩擦副回转运动的计算模型,仿真分析了机械密封摩擦副在干运转条件下的摩擦特性.研究结果表明:接触面温度分布不均匀,局部温度很高,在接触微凸体中心区域出现极值;在滑动后很短时间内温度急剧上升,随着滑动进行,接触节点温度继续升高,但是温升速率减缓;粗糙体轴向温度梯度较大,其亚表层区域存在较大的热应力,易发生热损伤失效;在接触微凸体轴向距表层较近的局部区域存在拉应力,滑动行为会使微凸体内部拉应力区域扩大,拉应力的数值也增大.微凸体接触区轴向上的应力状态是变化的,依次为压应力-拉应力-压应力.