为研究和掌握混合摩擦状态下机械密封端面摩擦热的变化规律,基于端面接触分形模型和平均膜厚分形模型,建立了机械密封端面混合摩擦热计算模型,并通过计算分析了端面混合摩擦热的影响因素。结果表明,随着转速的增大,总摩擦热和液膜黏性剪切摩擦热比增大,微凸体接触摩擦热比减小;随着密封介质压力或弹簧比压的增大,总摩擦热近似呈线性增大,黏性剪切摩擦热比减小,接触摩擦热比增大;随着端面分形维数的增大和特征尺度系数的减小,总摩擦热和黏性剪切摩擦热比增大,接触摩擦热比减小,且端面越光滑,总摩擦热、黏性剪切摩擦热比、接触摩擦热比的变化幅度越大;当密封端面处于混合摩擦状态时,接触摩擦热大于黏性剪切摩擦热。

为研究和掌握接触式机械密封端面接触特性,通过模拟计算分析了工作参数对其特性的影响。结果表明,在密封端面间真实接触面积中,弹性变形微凸体接触面积所占比例最大,塑性变形微凸体接触面积所占比例最小;随着弹簧比压的增大,弹性接触面积比近似呈线性增大,弹塑性接触面积比和塑性接触面积比近似呈线性减小;随着密封介质压力的增大,弹性接触面积比增大,弹塑性接触面积比和塑性接触面积比减小;随着转速的增大,弹性接触面积比逐渐减小,弹塑性接触面积比和塑性接触面积比逐渐增大。

针对磨粒磨损机制，采用球形磨粒模型和分形磨粒2种模型，利用有限元软件ANSYS分析磨粒磨损的滑动过程，探讨磨粒与磨损表面接触区內的温度变化、热应力分布及其随表层深度的变化情况，并对2种模型的分析结果进行对比分析。研究结果表明：球形磨粒模型中磨粒温度较高，接触体温度较低，磨粒与磨损表面温差较大，磨粒与表面接触处的Mises应力和剪应力分布比较分散；而分形磨粒模型中接触体温度较低，磨粒温度更低，磨粒与磨损表面温差较小，磨粒与表面接触处的Mises应力和剪应力分布比较集中，并且应力最大值比球形磨粒模型的大。

在机械密封端面接触分形模型基础上，依据Archard磨损理论，通过引入分形磨损系数及求解塑性和弹塑性变形微凸体的体积，建立了机械密封端面黏着磨损分形模型。得到了机械密封软质环端面磨损率与端面轮廓分形参数、真实接触面积、材料性能参数以及工作参数之间的关系式。对B104a-70型机械密封软质环端面的磨损率进行了计算和分析。结果表明，端面磨损率随着端面比压、转速及端面特征尺度系数的增大而增大；随着端面分形维数的增大先迅速减小后逐渐增大，即存在一个使磨损率最小的最优分形维数。