車輛傳動(dòng)裝置密封環(huán)摩擦狀態(tài)辨識(shí)的試驗(yàn)研究*

宮 燃，葛如海，張學(xué)榮，徐 宜

(1.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013; 2.中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

前言

重載車輛綜合傳動(dòng)裝置和乘用車機(jī)械式自動(dòng)變速器均使用浮動(dòng)密封環(huán)作為動(dòng)態(tài)密封裝置，主要解決旋轉(zhuǎn)件與固定件之間的密封問(wèn)題［1］。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，重載車輛綜合傳動(dòng)裝置濕式離合器中的密封環(huán)由于受到各種因素的影響，使其密封性能變差，壽命縮短，最終出現(xiàn)提早失效的現(xiàn)象，直接影響到整個(gè)傳動(dòng)裝置的使用性能，具體表現(xiàn)為油壓無(wú)法正常建立，密封環(huán)端面嚴(yán)重磨損，泄漏量增多等失效現(xiàn)象。因此，研究密封環(huán)接觸狀態(tài)與摩擦行為，就成為重載車輛傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。從傳動(dòng)系統(tǒng)的使用情況看，它頻繁變更運(yùn)行條件，使密封環(huán)處于交變的負(fù)荷工況中。從設(shè)計(jì)和試驗(yàn)角度考慮，辨識(shí)摩擦狀態(tài)變化的技術(shù)參數(shù)，充分掌握重載車輛傳動(dòng)裝置密封環(huán)的工作狀態(tài)，對(duì)改善密封性能，提高使用壽命具有重要意義。

端面摩擦因數(shù)是表征密封端面摩擦狀態(tài)的主要參數(shù)之一，在不同的摩擦狀態(tài)下，密封摩擦因數(shù)各不相同，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多通過(guò)密封性能試驗(yàn)，根據(jù)摩擦因數(shù)來(lái)判斷密封的摩擦狀態(tài)［2-5］。而密封的摩擦狀態(tài)可通過(guò)工況參數(shù)這個(gè)摩擦學(xué)特性相似準(zhǔn)數(shù)來(lái)表征，一般情況下單一使用工況參數(shù)并不能完全表征端面摩擦狀況［6］，但可通過(guò)摩擦因數(shù)與工況參數(shù)的聯(lián)合分析來(lái)辨別摩擦狀況。為全面分析密封環(huán)在不同工況下的密封性能，須考慮在不同溫度下密封端面摩擦狀態(tài)和密封性能轉(zhuǎn)變特征。因此，本文中通過(guò)幾個(gè)溫度條件下摩擦因數(shù)與工況參數(shù)的聯(lián)合分布曲線分析臨界工況的辨識(shí)特征，掌握不同條件下密封性能與摩擦性能的關(guān)系，為設(shè)計(jì)重載車輛的高可靠性和高壽命密封環(huán)提供依據(jù)。

1 密封環(huán)試驗(yàn)

重載車輛綜合傳動(dòng)裝置采用的密封環(huán)是一種應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)部件的剖分式彈性密封圈，它帶有切口形式，依靠自身彈力和油壓作用漲開，密封環(huán)的主要密封界面是其端面，外圓柱面是輔助密封界面。密封工作示意圖如圖1所示。在一定的負(fù)荷p下，密封環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸組成一對(duì)摩擦副，正常工作時(shí)相互緊密貼合并相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸的軸向流體密封。

試驗(yàn)在自主研制的密封綜合性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，如圖2所示。密封環(huán)安裝在主軸上，傳動(dòng)主軸貫穿于試驗(yàn)油腔，另一端與變頻電動(dòng)機(jī)相連。轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器與主軸連為一體。油腔加熱器、油溫傳感器和溫度控制器組成密封油腔的溫度控制與傳感系統(tǒng)，選用電阻式溫度傳感器沿著密封環(huán)周向均勻布置，對(duì)摩擦副溫度進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)油腔由專門的液壓站供壓，泄漏量由超聲流量計(jì)測(cè)定。試驗(yàn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、壓力和油溫設(shè)定值由上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置與控制，通過(guò)各個(gè)傳感器反饋轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、壓力、油溫變化和密封環(huán)溫度等測(cè)量值。

密封環(huán)采用填充改性的聚四氟乙烯(PTFE)復(fù)合材料，其外半徑 r1=62.5mm，內(nèi)半徑 r2=59.6mm，軸向厚度B=2.6mm。摩擦對(duì)偶件旋轉(zhuǎn)軸的外徑與密封環(huán)外徑相同，材料是38CrSi合金鋼。試驗(yàn)條件:主軸的旋轉(zhuǎn)速度為50～5000r/min，試驗(yàn)壓力為0.5～2.5MPa，本文中考察pv值(即壓力p×速度v)的變化范圍為8～79.6MPa·m/s。測(cè)試時(shí)試驗(yàn)室環(huán)境溫度為18.5℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 摩擦因數(shù)-工況參數(shù)試驗(yàn)曲線

在密封系統(tǒng)中，工況參數(shù)G根據(jù)相似原理推導(dǎo)而來(lái)［2］，定義為油膜黏性力與油膜負(fù)載的比值，即

式中:μ為密封介質(zhì)的動(dòng)力黏度，Pa·s;v為密封環(huán)端面的相對(duì)平均線速度，m/s;WR為密封端面的徑向?qū)挾?，m;FN為密封端面的總載荷，N。工況參數(shù)的大小說(shuō)明了密封環(huán)的運(yùn)行工況和流體油膜的承載能力，是衡量油膜形成難易程度的無(wú)量綱特性值［7-8］。

密封摩擦副的摩擦因數(shù)根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器檢測(cè)的摩擦力矩和施加的正壓力獲得，即

式中:T為摩擦力矩。

由式(1)可見，工況參數(shù)G與介質(zhì)黏度、速度成正比，與壓力成反比，其中介質(zhì)黏度又與溫度有關(guān)，所以工況參數(shù)G能反映出油溫、pv值這些體現(xiàn)密封系統(tǒng)運(yùn)行狀況的參數(shù)。一般認(rèn)為摩擦因數(shù)的大小可以概略說(shuō)明不同的潤(rùn)滑狀態(tài)，而工況參數(shù)的大小說(shuō)明油膜有多大承載能力［9］。因此，可采用試驗(yàn)得到的摩擦因數(shù)與工況參數(shù)的關(guān)系曲線(簡(jiǎn)稱f-G關(guān)系曲線)來(lái)反映摩擦工況及其變化規(guī)律。

利用上述的密封綜合性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前對(duì)密封環(huán)進(jìn)行磨合，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)，經(jīng)過(guò)300～350s數(shù)據(jù)保持平穩(wěn)后，按照式(1)和式(2)計(jì)算并記錄工況參數(shù)與摩擦因數(shù)值。油溫分別為40℃、80℃和120℃的條件下獲得的試驗(yàn)結(jié)果即f-G曲線如圖3所示，圖中曲線由試驗(yàn)離散值通過(guò)四次多項(xiàng)式擬合得到。

利用f-G關(guān)系曲線區(qū)分摩擦狀態(tài)的關(guān)鍵在于獲得摩擦狀態(tài)改變的臨界點(diǎn)。密封環(huán)的f-G曲線存在著兩個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，分別標(biāo)志著由流體摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌夏Σ梁陀苫旌夏Σ赁D(zhuǎn)變?yōu)檫吔缒Σ粒?0］。圖3的曲線形狀各不相同，但都有相似的趨勢(shì):曲線都先下降，到達(dá)一個(gè)最低點(diǎn)后又上升。

圖3(a)曲線在起始處有一小段f變化平緩的線段，此處摩擦因數(shù)處于較低水平，而工況參數(shù)G也不大，它表征了這段區(qū)域易處于邊界摩擦狀態(tài)。隨后曲線開始下降，直到最低點(diǎn)。接著曲線呈現(xiàn)線性上升的趨勢(shì)，摩擦因數(shù)和工況參數(shù)都在不斷增大，表明這段工況狀態(tài)中油膜承載能力最大，而油膜間的內(nèi)阻力矩也隨之增大，轉(zhuǎn)速較高。曲線上升的這段區(qū)域符合流體摩擦狀態(tài)的特征;而對(duì)應(yīng)于從變化平緩轉(zhuǎn)為較快下降直到最低點(diǎn)的這段曲線，摩擦狀態(tài)相應(yīng)地從邊界摩擦轉(zhuǎn)為混合摩擦。

圖3(b)和圖3(c)曲線趨勢(shì)狀態(tài)與圖3(a)類似，其基本特征在于:(1)油溫在大于等于80℃以后，曲線的下凹程度隨著油溫的升高而加劇，進(jìn)一步證實(shí)了油溫對(duì)摩擦狀態(tài)的影響，油溫升高造成了介質(zhì)運(yùn)動(dòng)黏度的減小，油膜最大承載能力降低;(2)曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)逐漸左移，與此對(duì)應(yīng)的摩擦因數(shù)也相對(duì)減小，符合密封流體潤(rùn)滑區(qū)間值隨著油溫的升高而逐漸減小的基本規(guī)律;(3)在油溫較低的工況，邊界摩擦區(qū)域與混合摩擦區(qū)域的轉(zhuǎn)折點(diǎn)不太明顯;隨著油溫的提高區(qū)分3種摩擦狀態(tài)區(qū)域的兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)逐漸明朗。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以分析得出:在重載、低速和低介質(zhì)黏度的工況下，密封環(huán)易處于邊界摩擦狀態(tài);在輕載、高速和高黏度工況下，密封環(huán)基本處于流體摩擦狀態(tài);除此之外的工況基本處于混合摩擦狀態(tài)，也易處于混合摩擦狀態(tài)。而且在變工況的密封系統(tǒng)中，摩擦狀態(tài)隨著油溫、轉(zhuǎn)速和壓力這些工況條件的變化而改變。

2.2 密封性能轉(zhuǎn)變規(guī)律

研究密封環(huán)臨界工況的摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變特征，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究，不但要獲得密封環(huán)工作狀態(tài)變化規(guī)律，還須得到在實(shí)際工況下密封環(huán)的各項(xiàng)性能，主要是泄漏量和密封環(huán)溫度等指標(biāo)。在油溫80℃的工況下，通過(guò)試驗(yàn)獲得密封性能與摩擦因數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系和規(guī)律。圖4為密封環(huán)摩擦因數(shù)、溫升和泄漏量隨pv值的變化關(guān)系。

由圖可見:在pv值的變化范圍內(nèi)，反映密封端面摩擦狀態(tài)的參量摩擦因數(shù)與試件溫升和泄漏量均呈現(xiàn)出一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但并不成嚴(yán)格的比例;在pv值小于40MPa·m/s時(shí)，摩擦因數(shù)曲線變化幅度較大，密封環(huán)溫升與泄漏量均有輕微波動(dòng)，但下降趨勢(shì)明顯;pv值大于50MPa·m/s時(shí)，摩擦因數(shù)、密封環(huán)溫升和泄漏量的變化減緩，其幅值保持在一定的范圍內(nèi)，不再有明顯的上升或下降的趨勢(shì)，盡管密封環(huán)溫度繼續(xù)升高，但升高幅度卻大大降低，變化維持在較小的范圍內(nèi)。

通過(guò)變化曲線可知，摩擦因數(shù)與試件溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系相對(duì)比較清晰，隨著pv值的增大，即轉(zhuǎn)速越高、壓力越大，單位時(shí)間內(nèi)密封摩擦副摩擦次數(shù)和劇烈程度相應(yīng)增加，摩擦熱效應(yīng)增強(qiáng)，密封摩擦副所產(chǎn)生的摩擦熱量越多，待pv值到達(dá)一定程度時(shí)，熱量的產(chǎn)生與耗散基本處于一個(gè)平衡狀態(tài)，摩擦引起的溫度變化趨于穩(wěn)定，此時(shí)摩擦因數(shù)的降幅亦趨平緩，泄漏量也變化不大，表示磨損機(jī)制由于摩擦熱、工況改變等外部條件的影響發(fā)生了轉(zhuǎn)變。由分析可知，在低速低壓的運(yùn)行工況(pv值＜40MPa·m/s)時(shí)，反映密封性能的各項(xiàng)指標(biāo)變化比較劇烈，性能不十分穩(wěn)定;在高速高壓(pv值＞65MPa·m/s)時(shí)，盡管密封溫升和泄漏量趨于穩(wěn)定，但數(shù)值較高，不利于密封環(huán)長(zhǎng)周期的服役，而pv值在45～55MPa·m/s之間時(shí)，摩擦因數(shù)較小，密封表面溫升相對(duì)不高，從密封環(huán)減小磨損角度和傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行條件方面考慮這是相對(duì)適宜的運(yùn)行工況。

3 結(jié)論

通過(guò)密封性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)，獲得幾種典型溫度下摩擦因數(shù)-工況參數(shù)關(guān)系曲線，獲得液體摩擦轉(zhuǎn)變到混合摩擦和由混合摩擦轉(zhuǎn)變到邊界摩擦?xí)r摩擦狀態(tài)改變的臨界點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)和比較分析的方法，可以基本掌握密封環(huán)在高速重載工況下摩擦狀態(tài)的轉(zhuǎn)變規(guī)律及其辨識(shí)特征。

研究重載車輛傳動(dòng)系統(tǒng)密封環(huán)摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變對(duì)密封性能的影響，通過(guò)試驗(yàn)獲得密封環(huán)溫升和泄漏量與摩擦因數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系和規(guī)律，表明摩擦狀態(tài)的變化都會(huì)帶來(lái)密封環(huán)性能的改變，其中泄漏量主要受到工況條件的影響，密封環(huán)溫升受摩擦狀態(tài)的影響更為明顯。

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