针对机械防泄漏面状态的研究

白金花 李科泉 王庆彬

摘 要：经过实验探究可以知道，机械密封持续工作的时间长短是由机械防泄漏面状态决定的。我将机械防泄漏面摩擦从不同于以往的角度分析，得到了它在不同摩擦状态下的工作情况，并且学会根据机械防泄漏性能高低的需求判断它处于哪种摩擦状态。

关键词：机械密封性能；摩擦状态

1、简述机械防泄漏面机制的内涵及原理：

不同摩擦状态下的摩擦机制的组成是不同的：固体和边界膜摩擦力组成了边界摩擦状态；流体内摩擦状态是流体摩擦状态的重要组成部分；而由固体、边界膜摩擦力、流体内摩擦状态三大部分组成的摩擦状态是混合摩擦状态。

从微观角度观察机械防泄漏面机制，可以观察出防泄漏面的表面是一层平滑的薄膜，闭合力是由弹力和压力共同构成的，载荷与表面膜的微凸体的尖峰接触，闭合力超出一定范围，那么尖峰就会略过表面膜与固体直接碰触，如果密封端面中薄膜间的间距较小，那么微凸体之间的空腔是间断的，所谓的边界摩擦状态的实质是闭合力直接作用在固体和表面膜之间。当流体的动力和静力在闭合力的基础上从被端面表面膜间厚度增大的微凸空腔上开始作用时，微凸空腔间开始大面积连续，而不再间断，所谓的混合摩擦状态就是指上述三力作用于表面膜、固体以及流体。当闭合力与流体动、静这二力的合力都均衡时，那么微凸体的表面膜就不再受任何载荷的接触，微凸空腔连成一片，所谓的流体摩擦状态就是指微凸体不需要承受负重。三种状态下的磨损量、摩擦因数以及法向载荷都呈正相关。

2、 分析四种摩擦状态下的摩擦性能：

（1）边界摩擦状态：对于该种状态而言，边界膜是核心及关键，边界膜是一种液态膜，其是由一种流体分子融接出来的，但是在这中间却并没有所谓的液体压力，是因为流体膜间的厚度普遍偏低，使得微凸空腔中的很多片段都没有连接起来，一些部分直接与固体碰触。本身边界膜的光滑度决定了边界摩擦性能的优劣，而与其所谓的粘连度毫无关系。流体交换流动理论是在边界摩擦状态学说下建立的，液体渗透到密封面上是通过单个的空隙，空隙在密封面上呈大面积地凹陷，而且这些空隙都是粗糙不光滑的，在空隙和凹槽间交换的液体是在剩下的压力和向心力的作用下运转的。

（2）干摩擦状态：由固体间的接触程度直接来评判摩擦好坏，在整个过程中，丝毫不存在流体膜的作用。配合材料的好坏直接决定了固体与固体之间的磨损度。若在摩擦过程中，其接触面有气体和氧化性的固体物质，则其会造成更大程度的破损，影响性能。

（3）流体摩擦状态：稳定润滑膜和滑动轴承一样，都可以使滑动面分开，不能够在机械密封端面内直接触碰。这种摩擦的大小明显低于固体之间的摩擦，流体摩擦中也不存在固体摩擦，它产生于具备粘度的流体的运转，与边界摩擦状态不同的是，此种摩擦的大小与润滑剂的动力粘度是有关的，当然是在完全流体摩擦的情况下才会成立。在很长时间内，许多研究者都前仆后继地探讨润滑膜能否在空隙中长时间存留，其实机械密封端面的空隙大小与润滑膜的凹陷厚度是差不多的，我们用仪器研究膜的形成过程及用精准的仪器来测量膜的某些基本参数，但我们在这个过程中，却发现了流体的一些特殊形式的密封。

（4）混合摩擦状态：混合摩擦状态是在一种特定的接触下，却还蕴藏着多种摩擦状态，这主要是由于防泄漏端面厚度的逐渐缩小。在之前就已经谈到：防泄漏端面的接触面在一定范围内是凹凸不平的，而液膜是相当薄的，机械防泄漏的好坏其实和表面膜的高频、低频粗糙度有关，其实较三种摩擦状态而言，混合摩擦更为常见，让前三种基本的摩擦状态两两组合，多者混搭，有很多迥异的情况。

3、根据性能需求判断机械防泄漏面状态的一些方法：

（1）根据润滑膜的深度来比较：机械防泄漏面的摩擦状态及性能优劣是与一定的润滑膜的深度相对应的。端面综合粗糙度是一个稳定的值，这个值作为标准值基本不变。所以我们常用润滑膜的深度与端面的粗糙度商值来作为划定机械防泄漏面状态的衡量条件。当其处于干摩擦状态时，商值比0.4要小；当其处于边界摩擦状态时，其大于0.4且小于1，当其出于液体摩擦状态时，其商值比3大；当其处于混合摩擦状态时，其商值恰好处于大于1小于3的范围。

（2）图表公式是来划分状态的有力武器，密封端面的凹凸不平面的深度与压力有一定的相关性，我们可以运用作图在坐标纸上画出关系曲线，可以直观地把各个状态划分出来。

（3）直接利用摩擦因数来比较，我们通过实验获得在各个摩擦状态下的摩擦因数，可以直接根据具体情况给定的摩擦因数来判断摩擦状态是上述四种状态中的哪一种。

（4）利用相似准数来判断：流体膜的载重能力是可以用相似准数来衡量的，它可以表现摩擦特性，在机械防泄漏面的受力中，我們首当其冲地要考虑总承载能力和流体膜间的连接力。所谓的相似准数其实是两者的比值。而且比值的数量级相差很大，判断摩擦状态就更加明了。

4、机械防泄漏性能的好坏与摩擦状态有着相当深刻的关系

（1）流体膜的形成过程是与摩擦状态相对应的。在机械端面表面粗糙不平或者高温变形的条件下，会导致微凸体的空隙间有流体膜。

（2）摩擦状态可以决定机械密封性能的好坏，如：干摩擦状态由于是固体与固体间的作用，所以在此情况下机械的防泄漏性并不好。而混合摩擦因为具备了固体，流体静、动力的作用，所以是普通机械防泄漏时的最佳状态。

5、结束：

通过我们对机械防泄漏面状态的研究，我们得到了一个共识，机械防泄漏面状态在机械运转过程中相当重要。我们可以根据机械防泄漏面的性能优劣来判断摩擦状态，同时也可以用机械防泄漏面的摩擦状态来决定机械性能好坏。机械摩擦状态四大类的形成原理都各不相同，主要与流体膜的受力情况有关。而四大摩擦状态在机械运转中扮演的角色都不尽相同。机械防泄漏有普通的一般性要求，也有较高的密封性要求。由于干摩擦和流体摩擦对连接膜都有一定的磨损，所以在面对普通机械防泄漏要求时就显得有些不足，混合摩擦状态取长补短，是普通机械防泄漏的不二选择。

参考文献：

[1]E Mayer 机械密封【M】.姚兆生、许仲枚、王俊德译.北京：化学工业出版社，1981.

[2]顾水泉。流体动密封：上册【M】.北京：中国石化出版社，1990.

[3]魏龙，顾伯勤，孙见君。机械密封端面摩擦工况研究进展【J】.润滑与密封.2003（5）：30-33.

[4]顾永泉。机械密封的摩擦系数与工况参数【J】。石油大学学报：自然科学版。1991，15（3）：71-83.Gu yongquan Friction Coefficient and Duty Parameter of Mechanica Face Seals[J].Joumal of the University of Petroleum. Edition ofNature Science 1991，15（3）：71-83.

[5]陈国桓 流体动压效应与密封准数G[J]化工机械，1979，6（1）；1-8.

[6]杨永强，等。激光熔覆高温合金及其应用【J】.中国激光，1995（2）：144-147.

[7]R Haude. Development of laser cladding using paste bonded coatings[C].1993：875-877.

[8]Q Li T C Lei W Z Chen Microstructuralcharacterization of W Cp reinforced composite coatings [c].1993：875-877

[9]刘喜明，等。摩擦磨损过程中的马氏体相变及其对材料磨损特性的影响【J】。金属热处理，1997，3：8-12.