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基于热力协同效应下低速轻载机械密封界面接触特性研究

通讯装置机械密封处于低速和轻载环境运行，由于动压效应不足而令动静环形成接触状态，造成其端面易受到热力变形、磨损、失稳等危害，严重影响通讯装置的热控效果和可靠运行。因此，探寻机械密封摩擦副界面的热力致损特性规律迫在眉睫。基于三维轮廓形貌仪，利用表面重构技术，提取试件表面点云信息，并结合曲面建模方法，对表面形貌三维离散数据进行正向处理，建立接触面真实形貌粗糙模型，对其接触滑动过程进行有限元仿真，从而获得粗糙表面接触面积、应力、热通量和磨损量的瞬态变化规律。研究结果表明：瞬态接触面积：碳化硅-碳化硅与碳化硅-石墨在初步接触阶段接触面积迅速增大至800 μm2。随后，两种接触方式的变化趋势呈现差异化:碳化硅-碳化硅接触面积增幅较小，而碳化硅-石墨接触面积仍有大幅上升，最终为碳化硅-碳化硅接触面积的3.49倍。等效应力：碳化硅-碳化硅与碳化硅-石墨在接触初始，应力均呈现出先减小后增大的趋势。但同一时刻下碳化硅-碳化硅VonMises等效应力大于碳化硅-石墨。热通量：两组摩擦副通量均随滑动距离呈上升趋势，碳化硅-碳化硅为线性上升，而碳化硅-石墨在0-141 μm内为非线性上升。在滑动初始，碳化硅-石墨热通量出现多次波动，而碳化硅-碳化硅几乎无波动。滑动结束时，碳化硅-碳化硅的热通量为碳化硅-石墨的3.7倍。磨损量：在滑动过程中两种摩擦副的磨损量随时间呈现非线性变化。在速度为0.28 m/s，碳化硅-石墨界面最终磨损量为2.16 ×10-11 mg，碳化硅-碳化硅界面最终磨损量为0.71 ×10-11 mg。另一方面，两种接触方式的磨损量均随转速增加而发生减小。