機(jī)械密封泄漏預(yù)測理論及其應(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。國內(nèi)外學(xué)者對機(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，對機(jī)械密封泄漏預(yù)測理論進(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)測技術(shù)研究的關(guān)鍵。
　　 利用Weierstrass-Mandetbrot函數(shù)，對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型輪廓測量儀，對密封端面表面輪廓曲線進(jìn)行了測量。由基于測量數(shù)據(jù)而獲得的輪廓曲線的結(jié)構(gòu)函數(shù)與測量尺度的雙對數(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、靜環(huán)端面的接觸簡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、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)測值隨時(shí)間的變化趨勢基本一致，試驗(yàn)值小于理論預(yù)測結(jié)果，但處于同一數(shù)量級。結(jié)果表明，運(yùn)用本文提出的機(jī)械密封泄漏預(yù)測分形模型可較為準(zhǔn)確地預(yù)測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)測結(jié)果驗(yàn)證了基于分形理論的機(jī)械密封泄漏預(yù)測模型的正確性。
　　 機(jī)械密封泄漏預(yù)測理論及其應(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