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)水平的不斷提高對機械設(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)備達到并保持長時間穩(wěn)定安全運行，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生成熱，就會對接觸面產(chǎn)生黏著磨損損壞設(shè)備，干氣密封氣體進入過程中混有雜質(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)對干氣密封性能的影響及影響程度

3、，主要研究內(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行驗證，利用MATLAB軟件基于分形參數(shù)對磨損率分形模型進行描述，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，

4、從中可以分析得出影響磨損率的各個因素，并由此通過這種方法可以對設(shè)備進行優(yōu)化，通過這些變化趨勢找出在最佳參數(shù)下的最小磨損率。研究結(jié)果表明：當分形維數(shù)處在某一區(qū)間內(nèi)時，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,磨損率最小。當讓分形維數(shù)保持不變時,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。當其它各參數(shù)都保持恒定時,接觸面積越大磨損率也變大。該模型的建立為進一步研究粗糙表面的摩擦、

5、磨損與潤滑具有重要意義。
　　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，并對上述模型做了數(shù)值分析。根據(jù)模擬要求，對上述模型進行了簡單的分析，并結(jié)合軟件進行了分析。研究結(jié)果表明，當其他參數(shù)一定時，摩擦系數(shù)隨著分形維數(shù)的變化時，當分形維數(shù)1.1≤D≤1.2時，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；當分形維數(shù)

6、1.2≤D≤1.9時，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，這種變化趨勢更明顯。當分形維數(shù)為某一數(shù)值時，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，當分形維數(shù)不變時，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，該模型的建立也為今