化工学报 ›› 2021, Vol. 72 ›› Issue (11): 5726-5737.DOI: 10.11949/0438-1157.20210932
收稿日期:
2021-07-05
修回日期:
2021-08-23
出版日期:
2021-11-05
发布日期:
2021-11-12
通讯作者:
李双喜
作者简介:
马润梅(1968—),女,博士,副教授,基金资助:
Runmei MA(),Xiang ZHAO,Shuangxi LI(),Xinghua LIU,Can XU
Received:
2021-07-05
Revised:
2021-08-23
Online:
2021-11-05
Published:
2021-11-12
Contact:
Shuangxi LI
摘要:
在含有颗粒介质的工作环境中下,硬质材料配对机械密封环的热力耦合变形和摩擦磨损对机械密封的泄漏和使用寿命起着至关重要的作用。考虑动静环和颗粒介质的摩擦,试验测定了摩擦系数,建立了动静环热力耦合的有限元计算模型,研究了WC-Co硬质合金和无压烧结碳化硅(SSiC)陶瓷两种硬质材料密封的温度场和端面变形规律,分析了不同工况下的密封间隙变化规律。试验测试分析了密封环温度、磨损前后的泄漏及表面粗糙度,讨论了端面的磨损机理,验证了计算模型的准确性。结果表明:考虑动环磨粒摩擦热的有限元模型能准确地预测密封的温度和端面变形;耦合作用下动静环端面呈现外径脱离、内径贴合的变形,且变形差异程度随压差和转速的增大而加剧;变形导致端面磨痕分布不均匀,内径磨痕较严重。WC-Co硬质合金配对密封环的端面变形小、泄漏量小,高硬度WC颗粒对Co基体能产生很好的“阴影效应”,具有良好的耐磨粒磨损性能。SSiC陶瓷材料韧性差,易产生片状磨屑,形成过渡型磨粒磨损,材料耐磨性较差,泄漏量增加明显。在磨粒工况下,WC-Co硬质合金机械密封具有泄漏小、耐磨性强的特点。研究结果为颗粒介质中机械密封的材料应用及设计优化提供了参考。
中图分类号:
马润梅, 赵祥, 李双喜, 刘兴华, 许灿. 颗粒介质用机械密封热力耦合变形及摩擦磨损研究[J]. 化工学报, 2021, 72(11): 5726-5737.
Runmei MA, Xiang ZHAO, Shuangxi LI, Xinghua LIU, Can XU. Research on thermal mechanical coupling deformation and friction and wear of mechanical seal for granular medium[J]. CIESC Journal, 2021, 72(11): 5726-5737.
材料 | 热导率/ (W/(m·K)) | 热膨胀系数/K-1 | 杨氏模量/GPa | 泊松比 |
---|---|---|---|---|
WC | 70 | 6.9×10-6 | 710 | 0.234 |
SSiC | 77.5 | 3.0×10-6 | 410 | 0.14 |
M106D | 140 | 5×10-5 | 15 | 0.3 |
表1 动、静环材料属性
Table 1 Material properties of dynamic and static rings
材料 | 热导率/ (W/(m·K)) | 热膨胀系数/K-1 | 杨氏模量/GPa | 泊松比 |
---|---|---|---|---|
WC | 70 | 6.9×10-6 | 710 | 0.234 |
SSiC | 77.5 | 3.0×10-6 | 410 | 0.14 |
M106D | 140 | 5×10-5 | 15 | 0.3 |
1 | 彭旭东, 于明彬, 孟祥铠, 等. 端面磨损对U型槽动压机械密封性能的影响[J]. 上海交通大学学报, 2010, 44(12): 1721-1726. |
Peng X D, Yu M B, Meng X K, et al. Effect of face wear on sealing performance of U-grooved mechanical seals[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2010, 44(12): 1721-1726. | |
2 | 王世宏, 王冰清, 孟祥铠, 等. 多孔端面机械密封在催化剂泵轴端密封中的应用[J]. 流体机械, 2016, 44(7): 38-41. |
Wang S H, Wang B Q, Meng X K, et al. Application of multi-dimpled face mechanical seals in catalyst pumps[J]. Fluid Machinery, 2016, 44(7): 38-41. | |
3 | 曾星绍. 抗磨粒集装机械密封的研制[J]. 流体机械, 1999, 27(7): 38-40. |
Zeng X S. Development of anti abrasive mechanical seal[J]. Fluid Machinery, 1999, 27(7): 38-40. | |
4 | 彭洪, 贾红云, 佘跃刚, 等. 高速高压及颗粒介质密封的探索[J]. 液压气动与密封, 2021, 41(1): 39-41, 45. |
Peng H, Jia H Y, She Y G, et al. Study on the performance of high speed mechanical seal used for high pressure particle medium[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals, 2021, 41(1): 39-41, 45. | |
5 | 王双全, 朱洁. 固液两相流泵机械密封的正确选型与使用[J]. 机械, 1999, 26(2): 37-38. |
Wang S Q, Zhu J. Correct selection and application of mechanical seal for solid liquid two phase flow pump[J]. Machinery, 1999, 26(2): 37-38. | |
6 | 郑煜, 朱汉华, 任泓吉, 等. 船舶艉轴机械密封温度场与热变形分析[J]. 润滑与密封, 2021, 46(3): 110-118. |
Zheng Y, Zhu H H, Ren H J, et al. Research on temperature field and thermal deformation of ship's stern shaft mechanical seal[J]. Lubrication Engineering, 2021, 46(3): 110-118. | |
7 | 程建辉, 葛培琪, 刘鸣. 机械密封环温度场的有限元分析与试验研究[J]. 山东大学学报(工学版), 2002, 32(4): 385-388. |
Cheng J H, Ge P Q, Liu M. FEM analysis and experimental study on temperature field of mechanical seal ring[J]. Journal of Shandong University of Technology, 2002, 32(4): 385-388. | |
8 | 刘杰, 杨博峰, 李香, 等. 干摩擦工况下机械密封端面温度数值模拟[J]. 液压气动与密封, 2018, 38(5): 8-11. |
Liu J, Yang B F, Li X, et al. Numerical simulation of mechanical seal end-temperature under dry friction condition[J]. Hydraulics Pneumatics & Seals, 2018, 38(5): 8-11. | |
9 |
马润梅, 赵祥, 陈潇竹, 等. 高速干摩擦机械密封端面变形及摩擦磨损研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, DOI: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0005.
DOI URL |
Ma R M, Zhao X, Chen X Z, et al. Research on face deformation and friction and wear of high speed dry friction mechanical seal[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, DOI: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0005.
DOI URL |
|
10 | Zhu G. Computer prediction of mechanical seal performance and experimental validation[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 1999, 213(6): 433-449. |
11 | 陈汇龙, 刘彤, 林清龙, 等. 基于ANSYS接触式机械密封热力耦合的研究[J]. 流体机械, 2012, 40(7): 29-32. |
Chen H L, Liu T, Lin Q L, et al. Coupling analysis of thermal stress on contacting mechanical seals based on ANSYS[J]. Fluid Machinery, 2012, 40(7): 29-32. | |
12 | 何永明, 穆塔里夫·阿赫迈德, 刘毅龙. 油泵用机械密封摩擦副界面热-结构耦合分析[J]. 流体机械, 2014, 42(6): 21-25. |
He Y M, Ahmat M, Liu Y L.Thermal-structure coupling analysis of the friction pair interface for heat pump mechanical seal[J]. Fluid Machinery, 2014, 42(6): 21-25. | |
13 | 王永乐, 刘杰, 李凤成, 等. 基于COMSOL的高温双端面机械密封热力耦合分析[J]. 流体机械, 2019, 47(3): 26-30. |
Wang Y L, Liu J, Li F C, et al. Analysis of thermal-mechanical coupling of double mechanical seals under high temperature based on COMSOL software[J]. Fluid Machinery, 2019, 47(3): 26-30. | |
14 | 彭旭东, 刘伟, 白少先, 等. 热弹变形对核主泵用流体静压型机械密封性能的影响[J]. 机械工程学报, 2010, 46(23): 146-153. |
Peng X D, Liu W, Bai S X, et al. Effects analysis of thermo-elastic deformation on the performance of hydrostatic mechanical seals in reactor coolant pumps[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2010, 46(23): 146-153. | |
15 | 魏龙, 顾伯勤, 刘其和, 等. 机械密封摩擦副端面接触分形模型的修正[J]. 化工学报, 2013, 64(5): 1723-1729. |
Wei L, Gu B Q, Liu Q H, et al. Correction of contact fractal model for friction faces of mechanical seals[J]. CIESC Journal, 2013, 64(5): 1723-1729. | |
16 | 魏龙, 顾伯勤, 刘其和, 等. 接触式机械密封端面平均温度耦合计算方法[J]. 化工学报, 2014, 65(9): 3568-3575. |
Wei L, Gu B Q, Liu Q H, et al. Average temperature coupling calculation method for end faces of contact mechanical seals[J]. CIESC Journal, 2014, 65(9): 3568-3575. | |
17 | 高斌超, 孟祥铠, 李纪云, 等. 机械密封热力耦合有限元模型与密封性能分析[J]. 摩擦学学报, 2015, 35(5): 550-556. |
Gao B C, Meng X K, Li J Y, et al. Thermal-mechanical coupled finite element model and seal performance analysis of mechanical seals[J]. Tribology, 2015, 35(5): 550-556. | |
18 | 王计辉, 陈志, 顾灿鸿, 等. 机械密封在干摩擦状态下的摩擦界面热力耦合分析[J]. 摩擦学学报, 2019, 39(6): 737-745. |
Wang J H, Chen Z, Gu C H, et al. Thermo-mechanical coupling analysis of friction interface of mechanical seals under dry friction[J]. Tribology, 2019, 39(6): 737-745. | |
19 | 陶凯, 涂桥安, 孙见君, 等. 基于ANSYS的剖分式机械密封变形分析[J]. 润滑与密封, 2014, 39(3): 84-90. |
Tao K, Tu Q A, Sun J J, et al. Deformation analysis of the split mechanical seal based on ANSYS[J]. Lubrication Engineering, 2014, 39(3): 84-90. | |
20 | 魏龙, 常新中, 张鹏高. 接触式机械密封端面泄漏模型的研究进展[J]. 流体机械, 2012, 40(2): 36-40. |
Wei L, Chang X Z, Zhang P G. Progress of study on leakage models of contacting mechanical seal end faces[J]. Fluid Machinery, 2012, 40(2): 36-40. | |
21 | 孙见君, 陈国旗, 嵇正波, 等. 接触式机械密封界面泄漏机理分析[J]. 化工学报, 2018, 69(4): 1528-1536. |
Sun J J, Chen G Q, Ji Z B, et al. Analysis on leakage mechanism for contacting mechanical seal interface[J]. CIESC Journal, 2018, 69(4): 1528-1536. | |
22 | 嵇正波, 孙见君, 陆建花, 等. 基于逾渗理论的机械密封界面静态泄漏预测方法[J]. 摩擦学学报, 2017, 37(6): 734-742. |
Ji Z B, Sun J J, Lu J H, et al. Predicting method for static leakage of contacting mechanical seals interface based on percolation theory[J]. Tribology, 2017, 37(6): 734-742. | |
23 | 孙见君, 顾伯勤, 魏龙. 基于分形理论的接触式机械密封泄漏模型[J]. 化工学报, 2006, 57(7): 1626-1631. |
Sun J J, Gu B Q, Wei L. Leakage model of contacting mechanical seal based on fractal geometry theory[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering(China), 2006, 57(7): 1626-1631. | |
24 | 嵇正波, 孙见君, 马晨波, 等. 接触式机械密封界面泄漏机理研究的关键科学问题[J]. 化工学报, 2017, 68(8): 2969-2978. |
Ji Z B, Sun J J, Ma C B, et al. Key scientific problems for studying leakage mechanism of contact mechanical seal interface[J]. CIESC Journal, 2017, 68(8): 2969-2978. | |
25 | 魏龙, 顾伯勤, 张鹏高, 等. 接触式机械密封端面磨合过程平均膜厚预测[J]. 化工学报, 2013, 64(11): 4137-4142. |
Wei L, Gu B Q, Zhang P G, et al. Average film thickness prediction of end faces in contacting mechanical seals in running-in period[J]. CIESC Journal, 2013, 64(11): 4137-4142. | |
26 | 顾永泉. 机械密封实用技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2001: 15-16. |
Gu Y Q. Practical Technology of Mechanical Seal[M]. Beijing: China Machine Press, 2001: 15-16. | |
27 | 蔡仁良, 顾伯勤, 宋鹏云. 过程装备密封技术[M]. 2版. 北京: 化学工业出版社, 2006. |
Cai R L, Gu B Q, Song P Y. Sealing Technology of Process Equipment[M]. 2nd ed. Beijing: Chemical Industry Press, 2006. | |
28 | 彭旭东, 顾永泉. 不同相态机械密封的性能计算[J]. 流体机械, 1994, 22(8): 20-24. |
Peng S D, Gu Y Q. Performance calculation of mechanical seals with different phase states[J]. Fluid Machinery, 1994, 22(8): 20-24. | |
29 | 韩晓明, 高飞, 符蓉, 等. 三体摩擦体系中材料摩擦特性的研究进展[J]. 中国材料进展, 2009, 28(2): 8-13. |
Han X M, Gao F, Fu R, et al. Recent progress in tribological theories involving the behavior of the third body[J]. Materials China, 2009, 28(2): 8-13. | |
30 | 李祖来, 蒋业华, 周荣. WC颗粒增强铁基表面复合材料的三体磨料磨损性能研究[J]. 中国机械工程, 2006, 17(18): 1967-1971. |
Li Z L, Jiang Y H, Zhou R. Study on three-body abrasive wear performance of cast iron matrix surface composites WC particles reinforced[J]. China Mechanical Engineering, 2006, 17(18): 1967-1971. | |
31 | 李烨飞, 高义民, 史芳杰, 等. 硬质合金颗粒增强铁基复合材料的三体磨料磨损性能[J]. 西安交通大学学报, 2009, 43(5): 56-60. |
Li Y F, Gao Y M, Shi F J, et al. Three-body abrasive wear behavior of iron matrix composite reinforced with cemented carbide particles[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2009, 43(5): 56-60. | |
32 | 郑开宏, 高义民, 陈亮, 等. 颗粒增强铁基复合材料的三体磨料磨损性能[J]. 摩擦学学报, 2012, 32(2): 176-182. |
Zheng K H, Gao Y M, Chen L, et al. Three-body abrasive wear behavior of iron matrix composites reinforced with tungsten carbide particles[J]. Tribology, 2012, 32(2): 176-182. | |
33 | Khruschov M M. Principles of abrasive wear[J]. Wear, 1974, 28(1): 69-88. |
34 | Yao X M, Wang X J, Liu X J, et al. Friction-wear properties and mechanism of hard facing pairs of SiC and WC[J]. Journal of Inorganic Materials, 2019, 34(6): 673. |
[1] | 宋嘉豪, 王文. 斯特林发动机与高温热管耦合运行特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 287-294. |
[2] | 张思雨, 殷勇高, 贾鹏琦, 叶威. 双U型地埋管群跨季节蓄热特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 295-301. |
[3] | 叶展羽, 山訸, 徐震原. 用于太阳能蒸发的折纸式蒸发器性能仿真[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 132-140. |
[4] | 张龙, 宋孟杰, 邵苛苛, 张旋, 沈俊, 高润淼, 甄泽康, 江正勇. 管翅式换热器迎风侧翅片末端霜层生长模拟研究[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 179-182. |
[5] | 张义飞, 刘舫辰, 张双星, 杜文静. 超临界二氧化碳用印刷电路板式换热器性能分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 183-190. |
[6] | 王志国, 薛孟, 董芋双, 张田震, 秦晓凯, 韩强. 基于裂隙粗糙性表征方法的地热岩体热流耦合数值模拟与分析[J]. 化工学报, 2023, 74(S1): 223-234. |
[7] | 刘远超, 关斌, 钟建斌, 徐一帆, 蒋旭浩, 李耑. 单层XSe2(X=Zr/Hf)的热电输运特性研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3968-3978. |
[8] | 陈哲文, 魏俊杰, 张玉明. 超临界水煤气化耦合SOFC发电系统集成及其能量转化机制[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3888-3902. |
[9] | 宋明昊, 赵霏, 刘淑晴, 李国选, 杨声, 雷志刚. 离子液体脱除模拟油中挥发酚的多尺度模拟与研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3654-3664. |
[10] | 胡建波, 刘洪超, 胡齐, 黄美英, 宋先雨, 赵双良. 有机笼跨细胞膜易位行为的分子动力学模拟研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3756-3765. |
[11] | 赵佳佳, 田世祥, 李鹏, 谢洪高. SiO2-H2O纳米流体强化煤尘润湿性的微观机理研究[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3931-3945. |
[12] | 何松, 刘乔迈, 谢广烁, 王斯民, 肖娟. 高浓度水煤浆管道气膜减阻两相流模拟及代理辅助优化[J]. 化工学报, 2023, 74(9): 3766-3774. |
[13] | 邢雷, 苗春雨, 蒋明虎, 赵立新, 李新亚. 井下微型气液旋流分离器优化设计与性能分析[J]. 化工学报, 2023, 74(8): 3394-3406. |
[14] | 曾如宾, 沈中杰, 梁钦锋, 许建良, 代正华, 刘海峰. 基于分子动力学模拟的Fe2O3纳米颗粒烧结机制研究[J]. 化工学报, 2023, 74(8): 3353-3365. |
[15] | 郑玉圆, 葛志伟, 韩翔宇, 王亮, 陈海生. 中高温钙基材料热化学储热的研究进展与展望[J]. 化工学报, 2023, 74(8): 3171-3192. |
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