工作参数和端面形貌对机械密封端面磨损率的影响

　　以工作在常温清水介质中的B104a -70 型机械密封为例进行分析。B104a - 70 型机械密封的硬质环端面材料为硬质合金YG8，E1 = 6 ×10⁵MPa、ν1 = 0.24; 软质环材料为碳石墨M106K，E2 = 1.6 × 10⁴MPa、ν2 = 0.20、σ2y = 200MPa; 微凸体接触摩擦因数fc = 0.1; 密封面内径为69mm、外径为78mm、名义接触面积Aa =1039mm²，载荷系数K = 0.895。假设分形磨损系数KF为定值，且参照真空技术网(http://www.chvacuum.com/)其他文章中中的Kw值取为KF= 5 × 10 ^{- 7}。

工作参数对机械密封软质环端面磨损率的影响

　　1、端面比压pc对软质环端面磨损率γ 的影响

　　当取转速n = 2900r /min 时，得到不同D 和G组对时γ 与pc的关系曲线如图4 所示。其中，D和G 的组对值是根据文献[11]的试验结果选取的。由图4 可知，当其他参数一定时，磨损率γ 随着端面比压pc的增大而近似线性地增大。这是因为，pc

　　增大导致微凸体的变形增大，从而使端面间黏着结点产生的磨屑总体积增大，磨损率γ增大。

图4 γ 与pc的关系曲线

　　2、转速n 对软质环端面磨损率γ 的影响

　　当取端面比压pc = 0.35MPa 时，得到不同D和G 的组对时，γ 与n 的关系曲线如图5 所示。由图5 可知，当其他参数一定时，磨损率γ 随着转速n 的增大而近似线性地增大。这是因为，转速n 增大，则单位时间内接触微凸体摩擦的次数增多，从而使端面间黏着结点产生的磨屑数增多，磨屑总体积增大，磨损率γ 增大。

图5 γ 与n 的关系曲线

机械密封端面分形参数对软质环端面磨损率γ 的影响

　　当取端面比压pc = 0.35MPa、转速n = 2900r /min 时，端面轮廓分形参数D 和G 对软质环端面磨损率γ 的影响如图6 和图7 所示。

图6 γ 与D 的关系曲线

图7 γ 与G 的关系曲线

　　由图6 可知，存在一个使磨损率γ 最小的最优分形维数Do，即当分形维数D 较小时，γ 随着D 的增大而迅速减小; 但当D > Do时，随着D 的增大，γ 逐渐增大。这是因为: 由式( 4) 可知，ac随着D 的增大而减小，且当D 较小时变化幅度较大，这将导致随着D 的增大，处于塑性或弹塑性接触状态的微接触点迅速减少，也即黏着结点迅速减少，因此，γ 也迅速减小; 而当D 增大到较大值后，当D 再进一步增大时，一方面导致ac减小，另一方面导致端面轮廓更加细化，从而使小于ac的塑性或弹塑性接触点增多。在这两个动态变化的过程中，最终使得D 达到一定值后，随着D 的增大，γ 逐渐增大。

　　由图7 可知，随着特征尺度系数G 的增大，磨损率γ 逐渐增大。这是因为: 由式( 4) 可知，当G 增大时ac也增大，从而使塑性或弹塑性微接触点增多，导致黏着结点增多，磨损率γ 增大。

　　另外，由图6 和图7 还可知，当端面分形维数D 小于最优分形维数Do时，特征尺度系数G 的变化对磨损率γ 的影响较大，而随着D 的增大，其影响变得越来越不明显。这主要是因为当D 较大时，端面轮廓非常细化，G 对临界弹性变形微接触面积ac的影响较小，因此G 对磨损的影响相对减弱。