基于分形理論的干氣密封環(huán)摩擦磨損數(shù)值模擬.pdf

1、干氣密封是目前出現(xiàn)的一種新型氣體密封，比起傳統(tǒng)的機(jī)械密封具有很多優(yōu)越性，并且能夠承載許多特殊工況下的密封，干氣密封摩擦界面的摩擦磨損特性與其設(shè)備承載能力、安全性、壽命長(zhǎng)短以及泄漏量等密切相關(guān)。隨著生產(chǎn)水平的不斷提高對(duì)機(jī)械設(shè)備的密封性能要求越來越高，干氣密封端面的研究也越來越深入，其應(yīng)用已經(jīng)由以往的常溫、常壓工況下逐漸拓展到高溫、高壓、低溫、真空等特殊工況甚至為一些極端工況。為了能夠使得一些重要以及特殊設(shè)備達(dá)到并保持長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定安全運(yùn)行，從

2、理論上深刻揭示其摩擦界面的摩擦磨損特性是非常有必要的。而干氣密封在起動(dòng)停階段摩擦界面微凸體之間的接觸以及微凸體之間摩擦磨損都會(huì)生成熱，就會(huì)對(duì)接觸面產(chǎn)生黏著磨損損壞設(shè)備，干氣密封氣體進(jìn)入過程中混有雜質(zhì)顆粒，微凸體接觸摩擦過程中產(chǎn)生磨粒磨損粘著磨損。然而從微觀層面考慮干氣密封界面的摩擦磨損，利用相關(guān)知識(shí)和理論，如：分形幾何理論、微凸體接觸理論、有限元分析方法、概率理論等建立相應(yīng)的模型等，分析密封摩擦界面特性參數(shù)對(duì)干氣密封性能的影響及影響程度

3、，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　本文根據(jù)以往研究微凸體變形特征的方法結(jié)合分形理論以及端面摩擦的作用，利用微觀基于基底長(zhǎng)度建立的微凸體摩擦界面分形接觸模型，通過該粗糙表面接觸模型推導(dǎo)了干氣密封啟動(dòng)停階段干摩擦下磨合磨損、磨粒磨損以及粘著磨損磨損率的分形模型并進(jìn)行驗(yàn)證，利用MATLAB軟件基于分形參數(shù)對(duì)磨損率分形模型進(jìn)行描述，通過立體圖像以及二維曲線圖來清楚地反映磨損率隨著分形維數(shù)、特征尺度系數(shù)、材料性能常數(shù)和磨損概率常數(shù)的變化趨勢(shì)，

4、從中可以分析得出影響磨損率的各個(gè)因素，并由此通過這種方法可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化，通過這些變化趨勢(shì)找出在最佳參數(shù)下的最小磨損率。研究結(jié)果表明：當(dāng)分形維數(shù)處在某一區(qū)間內(nèi)時(shí)，隨著分形維數(shù)的逐漸增大，磨損率先減小后增大；最優(yōu)分形維數(shù)1.5時(shí),磨損率最小。當(dāng)讓分形維數(shù)保持不變時(shí),隨著尺度常數(shù)、概率常數(shù)的增大磨損率也隨之增大；而隨著材料性能常數(shù)的增大磨損率減小。當(dāng)其它各參數(shù)都保持恒定時(shí),接觸面積越大磨損率也變大。該模型的建立為進(jìn)一步研究粗糙表面的摩擦、

5、磨損與潤(rùn)滑具有重要意義。
　　用分形參數(shù)表征摩擦界面磨合形貌特性，并根據(jù)以往的分形接觸模型通過計(jì)算、推導(dǎo)分析，建立了最大靜摩擦力和摩擦系數(shù)的分形模型，并對(duì)上述模型做了數(shù)值分析。根據(jù)模擬要求，對(duì)上述模型進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，并結(jié)合軟件進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí)，摩擦系數(shù)隨著分形維數(shù)的變化時(shí)，當(dāng)分形維數(shù)1.1≤D≤1.2時(shí)，隨著分形維數(shù)的變化，摩擦系數(shù)與所受載荷之間呈非線性的凸形曲線，但這種變化幅度是非常明顯的；當(dāng)分形維數(shù)

6、1.2≤D≤1.9時(shí)，隨著分形維數(shù)的增大，摩擦系數(shù)和法向載荷之間呈現(xiàn)出非線性的凹形曲線，這種變化趨勢(shì)更明顯。當(dāng)分形維數(shù)為某一數(shù)值時(shí)，摩擦系數(shù)變化最明顯，在所分析圖中可以清楚的看到分形維數(shù)在1.1附近發(fā)生的變化最明顯。另外，當(dāng)分形維數(shù)不變時(shí)，微凸體接觸面積越大摩擦系數(shù)變化也越大。特征尺度系數(shù)和材料的性能常數(shù)對(duì)靜摩擦系數(shù)的影響則是隨著法向載荷的增大，靜摩擦系數(shù)也增大。最大靜摩擦力隨著法向載荷的增大呈現(xiàn)線性正比的關(guān)系。同時(shí)，該模型的建立也為今