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高速干摩擦机械密封的端面变形及摩擦磨损

马润梅 赵祥 陈潇竹 李双喜 杨海超

马润梅, 赵祥, 陈潇竹, 等 . 高速干摩擦机械密封的端面变形及摩擦磨损[J]. 北京航空航天大学学报, 2022, 48(7): 1174-1182. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0005
引用本文: 马润梅, 赵祥, 陈潇竹, 等 . 高速干摩擦机械密封的端面变形及摩擦磨损[J]. 北京航空航天大学学报, 2022, 48(7): 1174-1182. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0005
MA Runmei, ZHAO Xiang, CHEN Xiaozhu, et al. End face deformation and friction and wear of high-speed dry friction mechanical seal[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(7): 1174-1182. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0005(in Chinese)
Citation: MA Runmei, ZHAO Xiang, CHEN Xiaozhu, et al. End face deformation and friction and wear of high-speed dry friction mechanical seal[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(7): 1174-1182. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0005(in Chinese)

高速干摩擦机械密封的端面变形及摩擦磨损

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0005
基金项目: 

国家重点研发计划 2018YFB2000800

详细信息
    通讯作者:

    李双喜, E-mail: buctlsx@126.com

  • 中图分类号: V219;TB42

End face deformation and friction and wear of high-speed dry friction mechanical seal

Funds: 

National Key R & D Program of China 2018YFB2000800

More Information
  • 摘要:

    针对机械密封在高速干摩擦状态下,因设计不当产生端面过度变形和磨损而引起的密封失效问题,建立了热-结构耦合数值计算模型,分析了密封的温度场和端面变形。试验测试了静环温升,分析了动静环端面特征,探讨了高速干摩擦状态下的磨损机制。研究结果表明:建立的有限元模型能准确地预测密封的温度和端面变形,计算值和试验值相差小于11%;密封端面峰值温度对转速更敏感,随着运转时间的延长,温度先迅速增加后逐渐变缓;静环易产生锥度变形,造成端面接触压力和磨损不均匀,静环座的“匡正”作用能够改善这类变形;摩擦转移膜的存在状态对密封的温升、端面粗糙度起关键作用,动环表面喷涂Cr2O3等金属氧化物,能较好地保持致密的石墨转移膜,减轻密封的磨损。研究结果为机械密封的设计、优化和应用提供了基础。

     

  • 图 1  密封结构示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of sealing structure

    图 2  模拟分析流程

    Figure 2.  Flow chart of simulation analysis

    图 3  几何模型及力边界

    Figure 3.  Geometric model and force boundary

    图 4  密封环温度场云图

    Figure 4.  Temperature field contour of sealing ring

    图 5  不同转速下的峰值温度

    Figure 5.  Peak temperature at different rotating speeds

    图 6  静环变形云图

    Figure 6.  Stationary ring deformation contour

    图 7  静环端面变形

    Figure 7.  End face deformation of stationary ring

    图 8  动静环端面接触压力分布

    Figure 8.  Contact pressure distribution of moving and stationary rings end face

    图 9  动静环端面接触压力

    Figure 9.  Contact pressure of moving and stationary ring end face

    图 10  试验系统

    Figure 10.  Test system

    图 11  密封试验台

    Figure 11.  Sealing test bench

    图 12  动静环实物图

    Figure 12.  Physical picture of moving and stationary ring

    图 13  测温点布置示意图

    Figure 13.  Layout of temperature measurement points

    图 14  转速对温度的影响

    Figure 14.  Effect of rotating speed on temperature

    图 15  压差对温度的影响

    Figure 15.  Effect of differential pressure on temperature

    图 16  动环材料对温度的影响

    Figure 16.  Effect of moving ring material on temperature

    图 17  模拟与试验结果对比

    Figure 17.  Comparisons of simulation and test results

    图 18  静环平面度对比

    Figure 18.  Flatness comparison of stationary ring

    图 19  端面内外径高度差测量

    Figure 19.  Height difference between inner and outer diameter of end face

    图 20  动环表面粗糙度

    Figure 20.  Surface roughness of moving ring

    图 21  试验前后端面微观形貌

    Figure 21.  Micro morphology of end face before and after test

    表  1  静环材料属性

    Table  1.   Stationary ring material properties

    参数 数值
    材料 M106D
    导热系数/(W·(m·K)-1) 140
    热膨胀系数/K-1 5×10-5
    弹性模量/GPa 15
    泊松比 0.3
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    表  2  动环材料属性

    Table  2.   Material properties of moving ring

    参数 数值
    材料 38CrMoAlA
    导热系数/(W·(m·K)-1) 80
    热膨胀系数/K-1 5.1×10-5
    弹性模量/GPa 600
    泊松比 0.24
    下载: 导出CSV

    表  3  静环座材料属性

    Table  3.   Material properties of stationary ring seat

    参数 数值
    材料 0Cr18Ni9
    导热系数/(W·(m·K)-1) 13.8
    热膨胀系数/K-1 1.654
    弹性模量/GPa 204
    泊松比 0.25
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-01-06
  • 录用日期:  2021-01-29
  • 刊出日期:  2021-02-19

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