基于分形理论的干气密封环摩擦磨损数值模拟

发布时间：2017-10-22 18:13

  本文关键词：基于分形理论的干气密封环摩擦磨损数值模拟

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【摘要】：干气密封是目前出现的一种新型气体密封,比起传统的机械密封具有很多优越性,并且能够承载许多特殊工况下的密封,干气密封摩擦界面的摩擦磨损特性与其设备承载能力、安全性、寿命长短以及泄漏量等密切相关。随着生产水平的不断提高对机械设备的密封性能要求越来越高,干气密封端面的研究也越来越深入,其应用已经由以往的常温、常压工况下逐渐拓展到高温、高压、低温、真空等特殊工况甚至为一些极端工况。为了能够使得一些重要以及特殊设备达到并保持长时间稳定安全运行,从理论上深刻揭示其摩擦界面的摩擦磨损特性是非常有必要的。而干气密封在起动停阶段摩擦界面微凸体之间的接触以及微凸体之间摩擦磨损都会生成热,就会对接触面产生黏着磨损损坏设备,干气密封气体进入过程中混有杂质颗粒,微凸体接触摩擦过程中产生磨粒磨损粘着磨损。然而从微观层面考虑干气密封界面的摩擦磨损,利用相关知识和理论,如:分形几何理论、微凸体接触理论、有限元分析方法、概率理论等建立相应的模型等,分析密封摩擦界面特性参数对干气密封性能的影响及影响程度,主要研究内容和结论如下:本文根据以往研究微凸体变形特征的方法结合分形理论以及端面摩擦的作用,利用微观基于基底长度建立的微凸体摩擦界面分形接触模型,通过该粗糙表面接触模型推导了干气密封启动停阶段干摩擦下磨合磨损、磨粒磨损以及粘着磨损磨损率的分形模型并进行验证,利用MATLAB软件基于分形参数对磨损率分形模型进行描述,通过立体图像以及二维曲线图来清楚地反映磨损率随着分形维数、特征尺度系数、材料性能常数和磨损概率常数的变化趋势,从中可以分析得出影响磨损率的各个因素,并由此通过这种方法可以对设备进行优化,通过这些变化趋势找出在最佳参数下的最小磨损率。研究结果表明:当分形维数处在某一区间内时,随着分形维数的逐渐增大,磨损率先减小后增大;最优分形维数1.5时,磨损率最小。当让分形维数保持不变时,随着尺度常数、概率常数的增大磨损率也随之增大;而随着材料性能常数的增大磨损率减小。当其它各参数都保持恒定时,接触面积越大磨损率也变大。该模型的建立为进一步研究粗糙表面的摩擦、磨损与润滑具有重要意义。用分形参数表征摩擦界面磨合形貌特性,并根据以往的分形接触模型通过计算、推导分析,建立了最大静摩擦力和摩擦系数的分形模型,并对上述模型做了数值分析。根据模拟要求,对上述模型进行了简单的分析,并结合软件进行了分析。研究结果表明,当其他参数一定时,摩擦系数随着分形维数的变化时,当分形维数1.1?D?1.2时,随着分形维数的变化,摩擦系数与所受载荷之间呈非线性的凸形曲线,但这种变化幅度是非常明显的;当分形维数1.2?D?1.9时,随着分形维数的增大,摩擦系数和法向载荷之间呈现出非线性的凹形曲线,这种变化趋势更明显。当分形维数为某一数值时,摩擦系数变化最明显,在所分析图中可以清楚的看到分形维数在1.1附近发生的变化最明显。另外,当分形维数不变时,微凸体接触面积越大摩擦系数变化也越大。特征尺度系数和材料的性能常数对静摩擦系数的影响则是随着法向载荷的增大,静摩擦系数也增大。最大静摩擦力随着法向载荷的增大呈现线性正比的关系。同时,该模型的建立也为今后分析密封摩擦界面的性能特性研究奠定了理论基础。
【关键词】：分形理论 干气密封 摩擦界面 接触 磨损 摩擦
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB42
【目录】：

• 摘要8-10
• Abstract10-13
• 符号注释表13-14
• 第1章 绪论14-23
• 1.1 课题研究的意义14-17
• 1.2 国内外研究现状及分析17-20
• 1.2.1 分形理论的研究及发展17-19
• 1.2.2 干气密封启停阶段摩擦端面磨损的研究19-20
• 1.3 研究干气密封启停阶段端面摩擦磨损的工程背景20-21
• 1.4 课题来源与主要研究工作21
• 1.5 课题的创新点与关键性问题21-22
• 1.6 本章小结22-23
• 第2章 基于分形理论的干气密封磨合磨损研究23-28
• 2.1 干气密封启停阶段磨损的介绍23
• 2.2 基于分形理论的磨损预测模型的提出及展望23-24
• 2.2.1 磨损预测模型的提出23-24
• 2.2.2 磨损类型划分与失效分析24
• 2.3 磨损预测模型提出时微凸体在接触过程中的分析24-26
• 2.3.1 磨合磨损预测模型的提出及分析25-26
• 2.4 磨合磨损率的影响因素数值计算与分析26-27
• 2.4.1 特征尺度系数对磨合磨损磨损率的影响分析26
• 2.4.2 材料性能常数对磨合磨损磨损率的影响分析26-27
• 2.5 本章结论27-28
• 第3章 基于分形理论的干气密封磨粒磨损预测模型28-39
• 3.1 干气密封磨粒磨损机理介绍以及研究进展28-29
• 3.2 微凸体的接触变形分析与塑性变形载荷29-31
• 3.2.1 微凸体的接触变形29-31
• 3.2.2 接触点处产生的塑性变形载荷31
• 3.3 处于塑性变形状态下的磨粒磨损模型31-33
• 3.4 干气密封干摩擦磨粒磨损磨损率分形预测模型的数值分析33-37
• 3.4.1 分形维数对磨粒磨损率的影响及分析33-34
• 3.4.2 特征尺度系数对磨粒磨损率的影响及分析34-35
• 3.4.3 材料性能常数对磨粒磨损率的影响及分析35-36
• 3.4.4 磨损概率常数对磨粒磨损率的影响及分析36-37
• 3.5 本章小结37-39
• 第4章 基于粘着磨损分形理论的磨损率建模与求解39-51
• 4.1 干气密封动静环粘着磨损发生的机理及发展介绍39-40
• 4.2 摩擦副接触变性中接触面积与塑性变形载荷40-42
• 4.2.1 摩擦副在运动接触变形中的面积分布40-41
• 4.2.2 摩擦副运动过程中接触点处产生的塑性变形载荷41-42
• 4.3 摩擦副端面粘着磨损发生磨损率预测模型42-45
• 4.4 摩擦副端面粘着磨损磨损率分形模型的数值分析45-49
• 4.4.1 分形维数对粘着磨损率的影响及分析45-46
• 4.4.2 特征尺度系数对粘着磨损率的影响及分析46-47
• 4.4.3 材料性能常数对粘着磨损率的影响及分析47-48
• 4.4.4 磨损概率常数对粘着磨损率的影响及分析48-49
• 4.5 本章结论49-51
• 第5章 基于分形理论的最大静摩擦力及静摩擦系数分形预测模型51-61
• 5.1 摩擦概念及摩擦分形模型发展介绍51-52
• 5.2 摩擦副微凸体的接触变形方式与塑性变形载荷52-54
• 5.2.1 摩擦副相对运动过程中微凸体接触变形52-53
• 5.2.2 摩擦副微凸体接触变形方式及载荷确定53-54
• 5.3 基于分形理论的摩擦特性模型模拟分析54-56
• 5.3.1 基于基地长度表面分形接触最大静摩擦力分形预测模型54-55
• 5.3.2 静摩擦系数分形预测模型55-56
• 5.4 静摩擦特性预测模型仿真分析56-60
• 5.4.1 分形维数对摩擦特性的影响56
• 5.4.2 尺度系数对摩擦特性的影响56-57
• 5.4.3 材料性能参数对摩擦系数的影响57
• 5.4.4 分形维数对最大静摩擦力的影响57-58
• 5.4.5 特征尺度系数对最大静摩擦力的影响58-59
• 5.4.6 材料性能参数对最大静摩擦力的影响59-60
• 5.5 本章小结60-61
• 结论与展望61-63
• 1. 结论61-62
• 2. 展望62-63
• 参考文献63-68
• 致谢68-69
• 附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文69-70
• 附录B 分形维数与特征尺度计算程序70-71
• 附录C 材料性能常数与概率常数计算程序71-72
• 附录D 摩擦系数计算程序72-73
• 附录E 摩擦力计算程序73

【参考文献】

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本文编号：1079504