平行面机械密封端面摩擦磨损特性研究开题报告

1. 研究目的与意义

在石油和石油化工工业中，有近90%的旋转设备采用机械密封。同惯用的填料密封相比，无论在功能上还是构成原理上，机械密封都有着明显的先进性。随着新工艺、新材料的出现，提高了机械密封使用的可靠性和寿命，降低了制造成本。人们在认识机械密封机理的同时，成功地利用密封机理设计制造了机械密封产品，并将产品应用于石油、电力、宇航及核工业等领域。

在机械密封的部位中，动环与静环的端面彼此贴合，相对滑动的动密封接触面随热、化学、物理及机械的综合作用, 是最容易发生泄漏甚至破坏的部位。据统计，在实际生产中，机械密封引起的故障仍然占全部机器故障的40%以上，机械密封的维修工作量占了很大的比重。机械密封运行状况的好坏直接影响着装置的正常生产。

本课题的目的主要是：通过研究动、静环在摩擦磨损试验机上进行摩擦（转速一定，试验力及时间不同）前后动、静环表面形貌的变化，磨损状况以及摩擦特性（摩擦扭矩、摩擦系数）与试验力、磨损时间的关系，考察动静环表面的逾渗极限，逾渗通道的特征尺寸（包括临界尺寸l_c、高度h_c、长度l_ch）及其变化规律。

2. 国内外研究现状分析

机械密封广泛应用于泵、压缩机和搅拌器等设备的轴封，其基本性能主要包括密封特性（即泄漏率指标）和端面摩擦特性（即抵御摩擦磨损的能力）。端面摩擦特性对机械密封的密封特性有着显著的影响；在一定工况条件下，两个密封环端面的相对运动引起的摩擦热、摩擦力和磨损系数，决定着机械密封的使用寿命。

近50年来，有关工况参数、端面温度、摩擦系数、磨损系数等摩擦特性问题一直是机械密封领域的研究热点。1961年，summer-smith在第一届国际流体密封会议上提出用轴承特性系数表示机械密封的摩擦特性，并探讨了机械密封摩擦副的摩擦系数、磨损率与工况参数的关系^[1]。1969年，鹫田彰通过实验获得了硬质合金－硬质合金、石墨－钨铬钴合金等组对的摩擦系数与工况参数的关系^[2]。1977年mayer根据多年研究成果，总结出不同摩擦副材料的机械密封在水、柴油和mobri-oil-arctic油中的摩擦曲线、磨损曲线以及密封端面温度的计算方法^[3]。1981年lebeak在讨论了混合摩擦区平行面承载的理论和试验问题后，作出具有明显转折点的fg曲线^[4]，并于1989年推导出几种混合摩擦模型的工况参数与摩擦系数的关系式^[5]。2002年，susan r. harp等人研究发现，随着两个粗糙表面的相对运动，会产生局部及总体气化，在接触表面生成空穴，影响机械端面密封的性能^[6]。2003年vezjak和viintin基于表面形貌，探讨了机械密封工况参数对摩擦系数的影响^[7]。2005年，julian allwooda, hasan ciftcib通过试验、模拟，对粗糙接触的各种方法进行比较^[8]，以得到解决该问题的最佳方法；erdemir认为，利用涂料技术可以控制摩擦副间凹痕的大小、形状，密度等，从而减少接触表面间的摩擦磨损量^[9]。2006年，itzhak green对随机磨损的平面密封件进行动态追踪，用一个依赖于时间的密封性能模型来概括诸如流体压力、接触压力等的影响，预测不同时间下的泄漏量和动态特性的改变^[10]。2007年，bhr集团通过研磨抛光，得到粗糙度、表面形貌不同的密封环，研究速度、载荷、摩擦系数等之间的相互关系以及它们对密封性能的影响^[11]。2010年，wiznera, jakubiecb等对摩擦副的表面形貌进行研究和分析^[12]。前几年人们发现的一个使用了40年的密封件^[13]，更加激发起人们研究机械密封摩擦磨损影响因素的热情，期待通过改变相关条件改变摩擦磨损量。自broadbend提出逾渗理论后，人们意识到它有助于解决端面接触的随机问题。bottiglione和carbone等利用逾渗理论研究密封件中的液体泄漏^[14]，只是局限于静密封，且停留在理论上。

国内也有很多科研人员从事机械密封摩擦磨损等摩擦特性的研究：上世纪90年代，杭州电化厂的科技人员研究端面比压对泄漏量的影响，认为可以通过适当增加端面比压减少泄漏量(尤其是摩擦副之间的)^[15]。1997年顾永泉在分析fg关系后，提出了可供机械密封设计计算使用的临界工况参数新概念^[16]，指出采用临界工况参数确定机械密封的其它参数，有利于实现机械密封的低摩擦磨损运行。2006年，魏龙、顾伯勤等人研究机械密封端面摩擦特性参数及测试技术，认为应提高机械密封试验装置的可靠性和检测手段^[17]。徐世君通过实践、研究发现，密封腔内介质的温度会影响机械密封，端面温差较大或温度变化速率过大时, 产生的热变形过大, 会使密封泄漏增大^[18]。2008年，任靖日、赵德金等人对摩擦副表面的微小凹痕进行研究，认为一定载荷下微小凹痕图型表面具有最佳的减摩效果^[19]。2009年，冀盛亚、孙乐民等研究表面粗糙度对黄铜/铬青铜摩擦副载流摩擦磨损性能的影响，认为摩擦副表面粗糙度存在一个最佳值, 使质量磨损率最小^[20]。魏龙、顾伯勤等人研究机械密封摩擦副动、静环端面的分形维数，为通过分形维数研究动、静环密封端面间的泄漏通道状况及摩擦磨损特性提供了条件^[21]。许多石油化工企业的技术人员研究机械密封摩擦副磨损情况，找出故障原因及解决方案。2010年，南京林业大学机电工程学院的科研人员研究不同材料密封副间的摩擦磨损特性^[22]，希望找出最佳的材料配对。

3. 研究的基本内容与计划

内容：研究在一定的转速、不同的试验力及时间下，摩擦端面的的摩擦扭矩、摩擦系数的变化情况，动静环摩擦前后粗糙度、质量、厚度的变化，研究试验力对摩擦特性的影响，逾渗通道的尺寸的动态变化及试验力对其的影响。

计划：

1) 调研及查阅文献，了解前人在平行面机械密封端面摩擦磨损特性研究方面的贡献，以及存在的问题，指出开展本研究工作的必要性和重要性，写出开题报告 2周

4. 研究创新点

特色创新在于：（1）将密封界面的逾渗极限列入其摩擦磨损特性；（2）考察动态情况下（不同试验力、时间）的逾渗微通道的特征尺寸。