高速干摩擦机械密封的温度、变形和磨损性能研究
干摩擦机械密封在无润滑条件下进行高速运转，受弹簧压力和腔体压力的共同作用，摩擦生热较快，密封端面温度较高，易引起密封端面的变形，进而影响密封的整体性能。本研究针对高速干摩擦密封在实际应用中由于变形引起的性能不稳定、密封失效等问题，通过数值模拟与试验的方法对密封的温度场、密封端面变形及其摩擦磨损性能进行了研究。 首先建立干摩擦机械密封的有限元模型，将密封动、静环及转轴简化为中心轴对称模型，模拟其稳态温度场，分析其分布规律，并探讨操作参数、性能参数、结构参数以及密封环材料对温度场的影响。结果表明密封环温度随转速、端面比压及弹簧压力的增大而升高，随腔体压力、介质流速、静环厚度及端面宽度的增加而降低。通过对比密封环不同材料配对在不同工况下的温度，优选出能够有效降低密封环温升的动环材料为38CrMoAlA，静环材料为浸呋喃树脂石墨M106K。 在干摩擦机械密封温度场数值分析模型的基础上，建立其热力耦合变形分析模型，基于模型对密封端面的热变形、力变形以及热力耦合变形分别进行分析，对比分析了三种变形以及动、静环变形的不同，并进一步讨论了腔体压力、转速及静环端面宽度对热力耦合变形的影响。分析结果表明热变形、力变形以及耦合变形三者中力变形最小，耦合变形并不是热、力变形的简单叠加，静环变形明显大于动环。适当减小转速和降低腔体压力能够减小密封端面变形，当腔体压力在0.2-0.3MPa时，静环端面宽度在2.4mm～2.7mm时端面变形最小。对比不同密封动环和静环材料配对的密封环变形，优选出变形最小的材料组对为硬质合金38CrMoAlA和浸呋喃树脂石墨M106K。 采用多功能摩擦磨损试验机分析不同密封材料配对在干摩擦条件下的摩擦系数，利用自主研发设计的干摩擦机械密封试验台分析不同工况下的密封环温度及端面变形，分析了试验前后不同密封材料配对的端面形貌，试验结果与数值计算结果具有较好的一致性，验证了高速干摩擦密封的端面温度及变形性能，并验证了数值分析的合理性和可靠性。 通过对高速干摩擦机械密封的温度场及变形的数值模拟分析和试验探究，揭示了密封端面温度及变形规律，优选出能够减小密封端面温升及变形的较优结构、操作参数及密封材料配对，可为高速干摩擦机械密封的结构优化、材料选择、端面变形控制研究提供新的研究思路，有利于进一步提升此类密封的性能并促进其工程应用。
干摩擦机械密封;温度场;端面变形;磨损性能
北京化工大学
硕士
机械工程
郑娆;贾祥际
2020
中文
TH136
2020-11-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）