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机械密封端面黏着磨损分形模型学院：石油化工学院专业：油气储运工程姓名：火兴玉学号：13430119联系方式：18809487313摘要:在机械密封端面接触分形模型基础上，依据2JN?LJ6磨损理论，通过引入分形磨损系数及求解塑性和弹塑性变形微凸体的体积，建立了机械密封端面黏着磨损分形模型!得到了机械密封软质环端面磨损率与端面轮廓分形参数真实接触面积材料性能参数以及工作参数之间的关系式关键词：机械密封；端面；黏着磨损目前，机械密封端面磨损的研究还主要依靠试验手段观测端面磨损规律，根据经验公式估算磨损率!但材料磨损性能试验是一项耗费大量经费和时间，工作量巨大的基础研究工作!研究机械密封端面磨损特性及磨损规律，建立合理的端面磨损理论模型，对于机械密封结构合理设计工况条件优化材料评价选择提高工作性能延长使用寿命以及指导磨损试验等都具有重要意义!研究表明，机械密封端面磨损前后轮廓曲线均具有各向同性的分形特性!本文基于Archard磨损理论，并用具有尺度独立性的分形参数表征磨损表面的形貌及其变化，建立机械密封端面黏着磨损分形模型!依据所建立的模型，分析机械密封端面磨损率的影响因素!2机械密封端面磨损率的简易计算：机械密封端面材料通常采用软&硬组对形式，硬质环端面比软质环端面光滑得多，且变形及，磨损极小，可以简化为刚性理想光滑平面对于设计和使用合理的机械密封，其软质端面的磨损形式主要表现为黏着磨损工作时，机械密封端面间的接触发生在软质环端面较高的微凸体上!摩擦时接触点处发生变形而产生黏着，随后在滑动中黏着结点被摩擦力剪切破坏!这种黏着破坏再黏着的交替过程就构成黏着磨损!用来计算黏着磨损的方法很多，但大多都建立在Archard磨损理论模型之上。Archard于1953年，在假设接触的两表面是由许多高度相等，半径为r的半球形微凸体组成的条件下，提出了黏着磨损的计算方法!图1是黏着结点的形成与破坏示意图，图中Fc为端面比压v为端面平均线速度!顾永泉基于Archard磨损理论给出了机械密封端面磨损率的一种简易计算方法，其表达式为：式(1)中的磨损系数Kw是一相似准数，为一概率系数，例如Kw=10-6即表面接触点的每1000000次接触会产生一次磨损，它集中反应摩擦副端面的摩擦状态滑动速度温度界面反应及材料性能的综合影响，是摩擦学系统的函数磨损系数Kw值越小，磨损越少，常由磨损试验测算!文献中可查阅到部分机械密封摩擦副材料的磨损系数Kw值，值得注意的是，式(1)是由Archard黏着磨损理论模型得出的，它在某种程度上描述了机械密封端面磨损的一般规律，但是Archard理论中假设微凸体是半径均相同的半球体且没有考虑摩擦力的影响，因此，这个磨损公式本身与工程实际有一定差距!图1黏着结点的形成与破坏3机械密封端面黏着磨损分形模型的建立3.1机械密端面微凸体的接触特性对于端面材料采用软&硬组对形式的机械密封，将硬质环与软质环的接触简化为刚性理想光滑平面与粗糙表面的接触后，密封端面沿周向展开后的接触模型如图2所示根据W-M分形函数，粗糙表面上面积为a的接触微凸体在-l/2--l/2范围内的轮廓线可近似为余弦波(参见图2)变形前的微凸体可定义为：微凸体的接触面积a在轮廓线上对应于接触长度l0两者之间的关系为:机械密封端面微凸体的变形方式包括弹性,弹塑性和塑性3种依据分形理论经分析可得，微凸体临界弹性变形微接触面积a0为：其中式中E----综合弹性模量，E1,E2-----硬质环软质环材料的弹性模量，v1,v2----硬质环软质环材料的泊松Kf-----摩擦校正系数,fc-----微凸体接触摩擦因数即干摩擦因数!由分形理论可得，密封端面微凸体接触面积分布函数为:式中---分形区域扩展系数al-----最大微凸体接触面积，分形区域扩展系数和最大微凸体接触面积al计算式式中Ar-----密封端面真实接触面积，3.2机械密封端面接触微凸体体积由于密封端面形貌具有各向同性的特征，因此，可将密封端面微凸体近似为轴对称体，如图3所示，其轴截面轮廓曲线满足式(2)所示的关系式，其底边圆半径为1/2，则单个微凸体的体积V为：图3微凸体体积3.3机械密封端面黏着磨损分形模型由Archard磨损理论可知，在接触载荷的作用下，机械密封软质环端面部分接触微凸体产生塑性或弹塑性变形，从而形成黏着结点.同时，在摩擦力的作用下黏着结点被剪断，形成磨屑，从而导致软质环端面产生磨损!当密封端面相对滑动距离为l时，在黏着结点处将产生一个微凸体的磨屑!由以上各式可得，在整个接触端面上所有黏着结点产生的磨屑总体积为:式中Aa-------密封端面名义接触面积，Ar*密封端面量纲1真实接触面积,根据机械密封端面间最大微凸体接触面积与临界弹性变形微接触面积at及临界塑性变形微接触面积ac相比较的大小关系，机械密封端面量纲1真实接触面积Ar*与密封端面比压p的关系可分为3种情况对所有黏着结点，产生,S体积的磨屑时，摩擦副端面的相对滑动时间为:考虑并非所有黏着结点都会形成磨屑，引入分形磨损系数Kf表示形成磨屑的黏着结点占全部黏着结点的百分比，即黏着结点产生磨屑的概率，则根据Archard磨损理论，可得机械密封软质环端面在整个名义接触面上的磨损率为:即为机械密封软质环端面磨损率的分形表达式!当分形磨损系数Kf已知，由上式并结合文献求解量纲1真实接触积A的相关公式，即可求出一定工作参数和端面分形参数时的软质环端面磨损率!由于在整个磨损过程中机械密封软质环端面的形貌是动态变化的，即分形参数D和G是时变的，故磨损率也是时变的，上式为一动态方程，这正是对材料磨损特性时变形的定量描述参考文献：张新党.浅谈清罐作业过程中的安全管理,化学工程与装备，薛胜雄，王永强，巴胜富，等以油洗油的清罐设备与技术研究,流体机械.吴松林，何超，但琦，等油罐底板腐蚀最大深度的概率分布研究压力容器李根生，沈忠厚，自振空化射流理论与应用北京中国石油大学出版社