Page 28 - 《摩擦学学报》2021年第3期

第 3 期 惠玉祥, 等: 考虑磨损的接触式端面密封模型及试验 317

粗糙度等对接触式端面密封性能的影响. 王小燕等 [5]
使用有限差分和有限单元法，建立了三维多场耦合模 High

pressure side
型，对核主泵用接触式端面密封性能进行了分析. Zhou Staticnary
Contact seal
ring seat
[6]
等 利用ANSYS软件建立了端面密封的有限元模型， end face
a
Seal spring Rotatin ring
讨论了压力、转速等端面密封变形及温度的影响.
Low r o
密封端面磨损也是研究的热点之一，目前广泛应 Staticnary pressure side
ring
[7]
用的仍为Archard 于1953年通过研究机械磨损时，提
出的基于黏着磨损的磨损定量模型 [8–10] . 顾永泉等 [11]
基于Archard磨损理论，通过引入磨损系数给出了接触 Fig. 1 A typical single mechanical seal
图 1 典型接触式端面密封示意图
[12]
式机械密封的磨损率定量公式，魏龙等 也基于Archard
黏着磨损理论，从分形角度揭示了磨损率和端面分形
综合考虑模型的工程问题导向性，本文作者基于油润
参数的关系，用以预测软质密封面的磨损情况. Yeon-
滑接触式端面密封稳定磨损阶段建立相应模型.
[13]
Wook Kim等 建立了数学模型以有效预测一定范围
本节中首先基于密封件材料的标准摩擦磨损试
内石墨作为密封材料的磨损率，并通过试验进行了验
验结果，探讨了Archard磨损模型的适用性. 随后基于
[14]
证. 于如飞等 以Archard黏着磨损模型以及Winkler
Archard磨损模型的定性分析结果提出模型基本假设.
弹性基础模型，从磨损深度出发预测铰链副的寿命，
从基本假设出发，结合密封组件开启力和闭合力平衡
并通过计算实例进行了验证.
的基本原理，获得密封界面固体接触力、流体承载力、
上述端面密封的代表性研究工作可分为两类，其
流体膜厚度的近似半解析公式. 在此基础上，通过有
一是关注密封性能分析的混合润滑模型；其二是关注
限元方法计入密封组件热、力变形，得到与传统密封
密封端面磨损的定量研究，两类研究之间缺乏联系.
分析模型中“热流固耦合”相对应的简化模型.
但在实际问题中，磨损与接触式密封性能之间存在强
1.1 分析Archard磨损模型的适用性
耦合关系，对密封性能分析和寿命预测乃至优化设计
依据接触式端面密封工况范围，在标准摩擦磨损
均有重要意义. 针对该问题，本文作者基于流体承载
试验机Plint TE-92上，采用600 N压力，油温保持80 ℃，
和固体接触承载共同平衡闭合力的传统思路，引入
Archard定量磨损模型，创新性地提出沿窄端面径向方 进行了密封副摩擦磨损标准试验，磨损前后的石墨表
向磨损均匀假设，从而使用半解析方法得到近似固体 面形貌如图2所示.
接触力、流体承载力及介质膜厚分布. 在此基础上耦 磨损前可以发现在石墨基体上，存在着很多孔隙
合密封环组件力和热变形，最终得到密封泄漏量、端 [图2(a)黄色标注所示]，黑色部分为碳石墨基体，白色
面温度等性能参数. 通过台架试验验证了本文中提出 部分为石墨材料的浸渍物. 试验前浸渍物只能部分填
的考虑稳定磨损的半解析模型的可行性. 充石墨孔隙. 试验后形貌则表明，石墨环表面孔隙基

本被磨损脱落后的石墨及浸渍物颗粒填平. 这一现象
1 理论模型
表明密封件材料在摩擦过程中发生了黏着磨损，能够
图1为一种典型的油润滑接触式端面密封(冲洗结 应用Archard磨损模型进行刻画.

构未画出). 密封内外压差使得一部分密封介质进入密 1.2 基本假设
封端面处，介质润滑和固体接触并存，接触式端面密 Archard磨损模型是基于金属材料的黏着磨损机
封工作在混合润滑状态. 此时，密封开启力由流体压 理建立的磨损定量模型. 本文研究对象是金属/石墨在
力及固体粗糙峰接触力组成. 密封组件的主要失效形 油润滑条件下的混合润滑摩擦磨损. 通过1.1的分析表
式是端面磨损导致的闭合力下降引发的泄漏量增加. 明，其磨损形式可以近似为黏着磨损. 因此后续分析
根据经典磨损理论，磨损过程一般经过3个阶段：跑合 做出如下假设：
[10]
阶段、稳定磨损阶段、失效阶段. 密封组件的全寿命周 (1) Archard磨损模型公式如下所示 ：
期中大量时间处于稳定磨损阶段，磨损率相对稳定. WL
V = K (1)
对稳定磨损阶段开展分析具有现实意义和工程应用 H
；
价值. 此外，大量接触式端面密封工作在油润滑状态. 式中： V为体积磨损率，单位为 m /s K为磨损系数，虽
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