Page 139 - 摩擦学学报2025年第4期
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第 4 期 赵祥, 等: 非接触式机械密封动特性中的辅助密封研究进展 627
运行周期对辅助密封的影响不可忽略. 橡胶材料 简称MSF)和分离距离(Breakaway distance，简称BD)
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的老化会引起O形圈力学性能下降 ，造成接触压力 是2个关键参数. Lai等 设计了专门的辅助密封试验
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减小 ，进而对主密封动特性造成影响. 另外，在机械 装置，发现流体压力、压缩率以及停留时间(切向载荷
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密封运行中存在着一定周期后辅助密封磨损而引起 施加之前经过的时间 )对MSF的影响明显高于O形
的摩擦力增大和主密封追随特性变差的情况 [59,69] . 但 圈的截面直径和滑动速度. 硬度相同但材料不同的
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目前对密封长期服役后的老化和磨损引起的动特性 O形圈的摩擦迟滞特性也有一定的区别. Li等 开展
问题尚未开展深入研究. 了组合式辅助密封的有限元仿真以及试验，分析了不
3.2 摩擦迟滞非线性 同介质压力下摩擦力随位移的变化情况，指出在分离
外界扰动会引起机械密封补偿环的往复运动，去 位置处摩擦力会发生“突跳”，这是导致机械密封不稳
程和回程中摩擦特性的差异、摩擦力随时间和位移的 定的关键因素.
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变化是导致机械密封不稳定的主要原因. 揭示摩擦力 摩擦力和位移的时变曲线呈现出不同的阶段性 ，
的时变规律和迟滞特性有利于掌握机械密封振动中 以位移为横坐标、摩擦力为纵坐标能够获得迟滞曲
的非线性行为，进而建立更完善的机械密封动力学模 线，如图8所示，曲线围成的面积即反映着辅助密封的
型，提高机械密封追随性. 能量耗散. 这种特征在各种润滑环境中存在高度相似
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在固体摩擦迟滞现象的最早期研究中，Johnson [76] 性 . 马春红等 基于往复式试验台获得了氟橡胶O
(1955年)设计了巧妙的试验装置，测量了钢球和钢板 形圈与不锈钢摩擦副的摩擦力时变曲线，将其分为启
在微滑移状态下的切向力和位移，指出微动发生在接 动、滑动、回弹以及摩擦力释放4个阶段. 指出压缩率
触边界周围的环形区域上，并随着切向力的增加而径 增加，滞后现象更加明显. 摩擦力与密封介质压力呈
向向内扩散. 发现了固体接触滑移从局部滑动到整体 现非线性变化. 在此基础上，朱启惠等分析了低压微
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滑动的现象. 并分析了由迟滞造成的能量耗散和阻尼. 动 和高压大位移 下的滞后特征，指出2种工况下
相关分析在摩擦阻尼系统的能量耗散研究中较多 [77-80] . 的摩擦力、位移时变曲线具有相似性. 郑金鹏等 [90-91]
其中，Iwan模型将表面摩擦等效为若干库伦摩擦和弹 通过有限元仿真、摩擦磨损试验、电镜观测以及成分
簧组合而成的单元，如图7所示，设定不同的临界滑移 分析发现，随着滑移距离的增加，摩擦副将依次经历
力而表示出运动中的局部滑动和整体滑移现象，具有 黏着、混合黏滑和完全滑移，不同滑移状态对应的磨
较好的适用性. 损机制不同，对表面粗糙度变化的响应也不同. 朱得
磊等 的试验则发现回弹摩擦力与位移幅值存在非
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k
线性关系，往复行程内的摩擦力差异随密封压力和压
q 1 缩率的增加而增大，这对机械密封的动特性造成威胁.
k
q 2
k F e
Outbound
q 3
k
F/N
q i Return
Fig. 7 Schematic diagram of the Iwan model (F e -external
force; k-spring stiffness; q i -critical slip force) 0
图 7 Iwan模型示意图(F e -外力；k-弹簧刚度； x/mm
q i -临界滑移力) Fig. 8 Force-displacement hysteresis curve
图 8 力-位移迟滞曲线
辅助密封的摩擦行为中存在更为明显的非线性
现象. 通过试验或者数值分析发现，辅助密封从静止 摩擦力随时间和位移的非线性变化是影响补偿
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到滑动会经历弹性变形、微观滑移和整体滑动阶段 ， 环追随特性的关键，对机械密封的密封性能和安全可
整体滑动前的最大静摩擦力(Maximum static friction， 靠性起重要作用. 仅了解辅助密封运动中的摩擦非线
