关键词：机械密封;覆层端面;覆层表面;界面应力;裂纹
摘 要：利用喷涂、激光熔覆等表面技术,在钢、铜等基体表面制备硬质耐磨覆层得到的机械密封复合密封环,综合利用了覆层与基体材料的优良特性。然而,实际工程中当操作条件苛刻和覆层结构设计不合理时,复合密封环可因覆层端面开裂而造成密封失效。因而,本文从覆层端面性能的影响因素,覆层表面裂纹和覆层端面运转试验等方面展开深入研究,以期指导覆层端面的设计开发,推广其工程应用。综合考虑覆层端面变形、液膜反压和端面温度之间相互影响的基础上,建立了准确的覆层端面数值计算模型。得到了密封端面的pbV值和温度分布,以及覆层表面和覆层与基体界面的应力分布,分析了覆层端面开裂的原因。确定密封端面最大pbV值([pbV]max)和最高温度(Tmax),覆层表面最大拉应力(σmax)、主界面最大切应力(τmax)、侧界面最大切应力(σcmax)和最大法向拉应力(τcmax)作为覆层端面性能的评定指标。分析了覆层端面的结构参数和材料参数对覆层端面性能的影响。分析可知,覆层与基体的热膨胀系数比αr宜在0.5～1.0,喷涂角度η宜在15°～30°,弹性模量比Er宜在1.0～2.5,覆层厚度t宜在0.4mm～0.6mm。研究了操作参数(流体压差、转速和介质温度)对覆层端面性能的影响。结果表明,覆层端面超出其适用的操作参数会使覆层端面的承载状况迅速恶化。建立了覆层表面裂纹数值分析模型,分析了覆层表面裂纹的应力强度因子随特征参数的变化规律。分析了覆层端面结构参数,材料参数和操作参数对应力强度因子的影响。覆层表面裂纹为Ⅰ型裂纹,各参数对.覆层表面裂纹K1值的影响,与对覆层表面最大拉应力的影响规律是一致的。根据研究结果,进一步提出了覆层端面的制备和检修建议。研制了机械密封试验系统,实测了覆层端面的摩擦扭矩和静环温度,并与数值计算结果进行了对比。观测了大量已开裂的机械密封复合密封环,分析了覆层端面裂纹特征与数值分析结果之间的关系。试验研究结果与数值分析结果具有良好的一致性,验证了本文对覆层端面数值分析结果的可靠性。本文对机械密封复合密封环覆层端面性能的研究,对于促进其设计开发及其工程应用的推广,以及覆层失效机理的研究有重要的科研意义。
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