基于分形理論的機(jī)械密封摩擦界面接觸及溫升研究.pdf

1、機(jī)械密封摩擦界面的摩擦特性與其負(fù)荷能力、可靠性、壽命以及泄漏量等密切相關(guān)。隨著對(duì)機(jī)械密封研究的不斷深入，其應(yīng)用已從常溫、常壓擴(kuò)大到高溫、高壓、低溫、真空等極端工況。為保證許多重要設(shè)備的長時(shí)間穩(wěn)定安全運(yùn)行，深刻揭示機(jī)械密封摩擦界面的摩擦特性是非常必要的。而密封摩擦界面微凸體之間的接觸以及微凸體之間摩擦所生成的熱是最為關(guān)鍵且基礎(chǔ)的內(nèi)容，所以本文對(duì)其進(jìn)行了研究。從微觀層面考慮機(jī)械密封的摩擦界面，利用分形幾何理論、接觸理論、有限元方法、熱傳導(dǎo)理

2、論、概率論等建立相應(yīng)的模型，分析密封摩擦界面特性參數(shù)對(duì)機(jī)械密封性能的影響及影響程度，主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下。
　　本研究根據(jù)微凸體變形特征、分形理論以及摩擦的作用，從微觀角度基于基底長度建立了機(jī)械密封摩擦界面分形接觸模型。通過與其它粗糙表面接觸模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，驗(yàn)證了本文模型的正確與合理，并由數(shù)值仿真分析了機(jī)械密封摩擦界面分形參數(shù)、摩擦因數(shù)、接觸載荷與真實(shí)接觸面積之間的關(guān)系。分析結(jié)果表明：無量綱載荷與無量綱特征尺度一定時(shí)，隨著

3、分形維數(shù)的增大，無量綱真實(shí)接觸面積先增大后減??；無量綱載荷與分形維數(shù)一定時(shí)，隨著無量綱特征尺度的增大，無量綱真實(shí)接觸面積呈非線性增大；無量綱載荷、分形維數(shù)以及無量綱特征尺度一定時(shí)，隨著摩擦因數(shù)的增大，無量綱真實(shí)接觸面積近似呈線性增大。該模型的建立也為研究機(jī)械密封摩擦界面的磨損與潤滑提供了理論依據(jù)。對(duì)機(jī)械密封軟質(zhì)環(huán)摩擦界面分形參數(shù)進(jìn)行測算，然后利用測算的分形參數(shù)，由Mathematica軟件基于描述三維分形表面的W-M函數(shù)生成粗糙表面數(shù)據(jù)

4、點(diǎn)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)點(diǎn)在 ANSYS中建立真實(shí)的軟質(zhì)環(huán)三維粗糙表面，并用FEM（有限元法）方法進(jìn)行接觸分析，求出了真實(shí)接觸面積與載荷之間的變化關(guān)系，得出隨著外載荷的增加，真實(shí)接觸面積呈非線性增加；通過對(duì)FEM方法與分形接觸模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，得出用FEM方法計(jì)算的結(jié)果更接近實(shí)際，但該法在使用起來有一定的不便。用分形參數(shù)表征機(jī)械密封摩擦界面形貌特性，根據(jù)重新建立的微凸體接觸變形方式，結(jié)合熱傳導(dǎo)和概率理論建立了機(jī)械密封摩擦界面最大溫升分形模

5、型以及溫升分布密度函數(shù)，并用數(shù)值方法對(duì)其最大溫升、溫升分布規(guī)律以及影響因素進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，當(dāng)無量綱特征尺度一定時(shí)，隨著分形維數(shù)的增大，密封界面無量綱最大接觸溫升呈非線性減??；當(dāng)分形維數(shù)一定時(shí)，隨著無量綱特征尺度的增大，密封界面無量綱最大接觸溫升呈非線性增大；機(jī)械密封摩擦界面處于非正常潤滑的面積，可由溫升分布密度函數(shù)計(jì)算出來，這對(duì)接觸式機(jī)械密封的設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行具有重要的意義?；谖⑼贵w彈、塑性分形接觸理論，結(jié)合熱傳導(dǎo)知識(shí)以及Se

6、ebeck效應(yīng)，用每個(gè)接觸微凸體上的摩擦平均溫升代表其熱電動(dòng)勢(shì)。通過電相似模型，從微觀層面建立了機(jī)械密封摩擦界面平均溫升關(guān)于真實(shí)接觸面積的關(guān)系，得出平均溫升與真實(shí)接觸面積成正比。用數(shù)值方法分析了分形維數(shù)、無量綱特征尺度以及速度對(duì)密封界面平均溫升的影響。分析結(jié)果表明，無量綱特征尺度一定時(shí)，摩擦界面平均溫升隨著分形維數(shù)的增大而增大；分形維數(shù)一定時(shí)，摩擦界面平均溫升隨著無量綱特征尺度的增大而減小；當(dāng)摩擦副的材料、外載荷、幾何結(jié)構(gòu)以及端面形貌一