機(jī)械密封泄漏預(yù)測(cè)理論及其應(yīng)用研究.pdf

1、在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是石油化工領(lǐng)域，機(jī)械密封已得到了廣泛應(yīng)用。機(jī)械密封的基本性能主要包括端面摩擦特性(即抵御摩擦磨損的能力)和密封特性(即泄漏率指標(biāo))。工程上，一般是在控制泄漏率不超標(biāo)的前提下，盡量改善端面摩擦特性，以延長(zhǎng)機(jī)械密封的使用壽命。由于諸多因素的影響，機(jī)械密封的使用壽命長(zhǎng)短各異，這使得采用機(jī)械密封防漏的機(jī)器設(shè)備存在著潛在的危險(xiǎn)。不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)泄漏率和機(jī)械密封壽命，往往導(dǎo)致過早更換新的密封件，或延誤維修時(shí)機(jī)，引起易燃、易爆、有害介質(zhì)

2、大量泄漏而引發(fā)事故。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)械密封的密封特性和摩擦特性作了大量的理論和試驗(yàn)研究，提出了相關(guān)的泄漏率計(jì)算模型，極大地完善了機(jī)械密封理論，并對(duì)工程實(shí)踐起著重要的指導(dǎo)作用。但這些研究都是基于端面表面形貌不變、摩擦工況恒定條件進(jìn)行的，所建立的機(jī)械密封泄漏模型都未能考慮運(yùn)轉(zhuǎn)過程中機(jī)械密封接觸端面表面形貌變化(或只考慮初始表面粗糙度和波度)對(duì)泄漏損失的影響，更未考慮泄漏損失與時(shí)間的關(guān)系。實(shí)際上，機(jī)械密封在不同工作條件下或在同一條件下的整個(gè)使用

3、過程中，摩擦副表面形貌和密封間隙的幾何形狀都是不斷變化的，要想采用傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確計(jì)算機(jī)械密封的泄漏率是非常困難的。
　　 本課題旨在引入分形幾何理論、用具有尺寸獨(dú)立性的分形參數(shù)表征摩擦磨損過程中機(jī)械密封摩擦副表面的形貌及其變化，按照機(jī)械密封基礎(chǔ)理論探討、密封端面形貌研究、泄漏預(yù)測(cè)模型建立、摩擦磨損加速試驗(yàn)方法研究、摩擦磨損和密封特性試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用這一技術(shù)路線，對(duì)機(jī)械密封泄漏預(yù)測(cè)理論進(jìn)行了研究和探討。
　　 運(yùn)用Navi

4、er-Stokes方程，建立了機(jī)械密封泄漏率與密封端面間隙關(guān)系式，分析了機(jī)械密封端面表面形貌與密封特性和摩擦特性之間的規(guī)律。研究表明，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中機(jī)械密封端面表面形貌及其變化對(duì)密封特性和端面摩擦特性有著重大影響。指出正確表征密封端面形貌及其變化，是機(jī)械密封泄漏預(yù)測(cè)技術(shù)研究的關(guān)鍵。
　　 利用Weierstrass-Mandetbrot函數(shù)，對(duì)密封端面的分形特征進(jìn)行了分析。在討論尺碼法、盒維數(shù)法、功率譜法、變差法、結(jié)構(gòu)函數(shù)法、輪廓均

5、方根法、協(xié)方差法和小波變換法等幾種分形維數(shù)計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，指出結(jié)構(gòu)函數(shù)法比其他幾種方法具有更高的精度和確定性。采用AF-LI型輪廓測(cè)量?jī)x，對(duì)密封端面表面輪廓曲線進(jìn)行了測(cè)量。由基于測(cè)量數(shù)據(jù)而獲得的輪廓曲線的結(jié)構(gòu)函數(shù)與測(cè)量尺度的雙對(duì)數(shù)關(guān)系，可以判定機(jī)械密封端面表面輪廓具有分形特性。
　　 基于Majumdar-Bhushan分形模型，將機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)端面的接觸簡(jiǎn)化為一等效粗糙表面與-理想剛性光滑表面的接觸，把機(jī)械密封端面外徑處環(huán)

6、狀截面上的空隙作為接觸表面微泄漏通道截面，并采用分形參數(shù)對(duì)其進(jìn)行了表征，建立了基于分形理論的時(shí)間相關(guān)的泄漏預(yù)測(cè)模型。探討了密封端面間隙隨著端面形貌變化的規(guī)律，以及機(jī)械密封泄漏率與介質(zhì)壓力、介質(zhì)粘度、端面比載荷、密封環(huán)材料性能、密封端面形貌變化和時(shí)間的關(guān)系。
　　 依據(jù)相似理論，探討了機(jī)械密封摩擦磨損加速試驗(yàn)方法。通過5組機(jī)械密封動(dòng)、靜環(huán)在HDM-2型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上的摩擦磨損試驗(yàn)，獲得了時(shí)間相關(guān)的密封端面分形維數(shù)關(guān)系式。在摩擦磨

7、損試驗(yàn)初期，由于分形維數(shù)較小，表面比較粗糙，端面接觸面積小，接觸應(yīng)力大，磨損量大；隨著摩擦過程的持續(xù)進(jìn)行，分形維數(shù)逐漸增大并到達(dá)一極大值，接觸面積也相應(yīng)增大，接觸應(yīng)力減小，磨損量減小。由于磨損量小，分形維數(shù)緩慢變小，并在相當(dāng)一段長(zhǎng)時(shí)間處于較為穩(wěn)定的數(shù)值上。當(dāng)分形維數(shù)減小到一定值時(shí)，由于端面過于粗糙，導(dǎo)致摩擦磨損加重，端面分形維數(shù)迅速降低。
　　 在自行設(shè)計(jì)的機(jī)械密封試驗(yàn)裝置上，對(duì)GY--70型機(jī)械密封進(jìn)行了密封特性試驗(yàn)。在運(yùn)行初

8、期，機(jī)械密封泄漏率很大。但隨著運(yùn)行時(shí)間的推移，摩擦端面逐漸跑合，泄漏率減小。此后，隨著摩擦過程的持續(xù)進(jìn)行，端面在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)處于較為穩(wěn)定的摩擦狀態(tài)，泄漏率基本保持不變。在端面比載荷相同的情況下，泄漏率隨介質(zhì)壓力的增大而增大。試驗(yàn)得到的泄漏率和理論預(yù)測(cè)值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，試驗(yàn)值小于理論預(yù)測(cè)結(jié)果，但處于同一數(shù)量級(jí)。結(jié)果表明，運(yùn)用本文提出的機(jī)械密封泄漏預(yù)測(cè)分形模型可較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)一定工況條件下任一工作時(shí)刻機(jī)械密封的泄漏率。

9、　　 運(yùn)用故障樹法對(duì)機(jī)械密封泄漏失效原因進(jìn)行了分析，指出在正常工況下，密封端面形貌差是機(jī)械密封泄漏失效的主要原因。某石化企業(yè)在役泵用機(jī)械密封泄漏率和工作壽命的預(yù)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了基于分形理論的機(jī)械密封泄漏預(yù)測(cè)模型的正確性。
　　 機(jī)械密封泄漏預(yù)測(cè)理論及其應(yīng)用技術(shù)的研究，不僅揭示了機(jī)械密封運(yùn)行過程中摩擦副表面形貌對(duì)泄漏損失的影響、表面形貌變化規(guī)律以及泄漏率隨時(shí)間的變化關(guān)系，而且有助于即時(shí)了解機(jī)械密封的泄漏狀況，做出是否繼續(xù)使用或維修的