基于斯特封的往復(fù)密封摩擦磨損界面性能實(shí)驗(yàn)研究

張妙恬， 時劍文2， 索雙富2， 孟國營

(1.中國礦業(yè)大學(xué) (北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京 100083； 2.清華大學(xué) 機(jī)械系， 北京 100084)

引言

橡塑密封件的結(jié)構(gòu)和性能對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)、性能和使用壽命至關(guān)重要。密封性能差不僅會增加機(jī)器的摩擦、磨損以及功率消耗，從而縮短機(jī)器的工作壽命，還會引起因泄漏而造成環(huán)境污染和設(shè)備腐蝕。密封件的失效會直接影響整機(jī)的效率導(dǎo)致大量的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)韲?yán)重的安全事故。

針對密封圈磨損問題， 研究者們經(jīng)過半個多世紀(jì)的研究歷程，取得了一系列的研究成果，如建立密封圈彈流潤滑模型評價密封圈性能[1-3]、研究密封圈失效機(jī)理[4-5]、以及改變密封圈結(jié)構(gòu)和材料等方法提高密封圈壽命和可靠性等[6-7]。然而目前的實(shí)驗(yàn)研究大多聚集于油壓、往復(fù)速度、溫度及密封圈結(jié)構(gòu)尺寸的變化對密封圈的磨損影響[6-7]，很少考慮密封圈加工工藝、活塞桿鍍膜材料對密封圈磨損的影響。

本研究搭建往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺，取添加碳纖維PTFE的密封圈和鍍Cr膜活塞桿、鍍DLC膜活塞桿分別進(jìn)行往復(fù)密封臺架實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后獲取使用過得密封圈作為實(shí)驗(yàn)樣本。通過三維白光干涉表面形貌儀、場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡和冷場發(fā)射高分辨掃描電子顯微鏡分別對實(shí)驗(yàn)樣本的密封唇進(jìn)行表面形貌、表面磨損和磨損表面元素進(jìn)行測定。通過實(shí)驗(yàn)測定，得出鍍膜材料脫落形成磨粒導(dǎo)致密封圈表面磨損，并對密封圈的加工工藝和活塞桿鍍膜材料的選擇提出了優(yōu)化建議。

1 往復(fù)密封臺架實(shí)驗(yàn)獲取實(shí)驗(yàn)樣本

1.1 往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計與搭建

往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由液壓缸、活塞桿、被測密封圈和拉壓傳感器等組成。實(shí)驗(yàn)過程中，活塞桿固定不動，液壓缸由驅(qū)動油缸供油在固定軌道上做往復(fù)運(yùn)動，液壓缸由供油站供油使其缸內(nèi)達(dá)到實(shí)驗(yàn)用油壓，通過拉壓傳感器進(jìn)行壓力值數(shù)據(jù)采集。

圖1 往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺液壓缸實(shí)物圖，其中由右側(cè)驅(qū)動油缸驅(qū)動液壓缸進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動；圖3為往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺供油站和驅(qū)動站實(shí)物圖。

圖2 往復(fù)密封試驗(yàn)臺液壓缸實(shí)物圖

1.2 實(shí)驗(yàn)使用密封圈及其材料

采用由廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司密封研究所采購的重載軸用階梯圈GMSS進(jìn)行往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)。采購的密封圈均為斯特封，其結(jié)構(gòu)及安裝尺寸如圖4、圖5和表1所示。其中D型圈材料均為丁腈橡膠，耐磨環(huán)材料填充碳纖維的PTFE(添加比例約為15%)。

圖3 往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺驅(qū)動站及供油站實(shí)物圖

圖4 斯特封結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 斯特封安裝方式及尺寸

表1 重載軸用階梯圈GMSS安裝尺寸表

實(shí)驗(yàn)所用2根活塞桿基體材料為不銹鋼，分別進(jìn)行不同鍍膜，一根活塞桿在鋼表面進(jìn)行鍍鉻膜處理，另一根活塞桿在剛表面進(jìn)行鍍DLC(類金剛石)膜處理。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)樣本獲取

實(shí)驗(yàn)所用潤滑油為15號航空油，實(shí)驗(yàn)溫度為20 ℃，實(shí)驗(yàn)設(shè)置油液壓力為35 MPa，設(shè)置往復(fù)速度為500 mm/s，設(shè)置每次實(shí)驗(yàn)往復(fù)次數(shù)為300次。選用2組密封圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)活塞桿鍍膜材料不同，每組密封圈分別進(jìn)行2次實(shí)驗(yàn)：第1次實(shí)驗(yàn)使用2個全新斯特與鍍Cr膜活塞桿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；第2次使用2個全新斯特封與鍍DLC膜活塞桿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

往復(fù)密封臺架實(shí)驗(yàn)完畢后，拆卸實(shí)驗(yàn)臺，取出使用過的斯特封作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)樣本，分別切割長度約為5 mm的密封圈內(nèi)圈備用，實(shí)驗(yàn)樣本如圖6所示，樣本名稱如表2所示。

2 密封唇表面形貌測定

利用清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Nexview三維白光干涉表面形貌儀(如圖7所示)對密封圈內(nèi)側(cè)唇部進(jìn)行表面形貌測定。

圖7 三維白光干涉表面形貌儀實(shí)物圖

如圖8所示，將試驗(yàn)樣本固定在實(shí)驗(yàn)臺上，選擇合適的鏡頭，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)為50倍，調(diào)整樣本位置，選取密封圈內(nèi)側(cè)密封唇與軸接觸區(qū)域(寬度800 μm左右)進(jìn)行測定。測定結(jié)果如圖10～圖13所示，其中左圖為測量表面形貌三維圖，右圖為俯視放大圖。

圖8 測試實(shí)驗(yàn)操作臺

圖9為全新未使用添加碳纖維PTFE的密封圈內(nèi)圈唇部測量結(jié)果，圖中可以清晰的看到密封圈加工的車削痕跡，排列整齊。其表面粗糙度Sa=18.347 μm(算術(shù)平均高度)，Sq=21.610 μm(根均方高度)，Sz=91.968 μm(最大高度)。

圖9 樣本3密封圈唇部

圖10 樣本1-1密封圈唇部 圖11 樣本1-2密封圈唇部

圖12 樣本2-1密封圈唇部 圖13 樣本2-2密封圈唇部

圖10～圖13分別為與鍍Cr軸、鍍DLC軸接觸的添加碳纖維PTFE的密封圈內(nèi)圈唇部測量結(jié)果，由圖可以看出，密封圈加工的車削痕受到擠壓，車削痕跡輪廓模糊。與鍍Cr軸接觸的密封圈唇部表面粗糙度樣本1-1為Sa=8.367 μm，Sq=10.239 μm，Sz=66.107 μm，樣本2-1為Sa=7.417 μm，Sq=9.032 μm，Sz=48.706 μm；與鍍DLC軸接觸的密封圈唇部表面粗糙度樣本1-2為Sa=7.315 μm，Sq=9.390 μm，Sz=59.623 μm，樣本2-2為Sa=6.838 μm，Sq=8.283 μm，Sz=45.228 μm。由三維圖可以看出，密封圈與軸接觸擠壓后，雖有回彈，但回彈不到原始位置。其中與鍍DLC軸接觸的密封圈較鍍Cr軸接觸的密封圈唇部受擠壓更明顯，回彈更小。

3 密封唇表面磨損測定

利用清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(如圖14所示)對密封圈內(nèi)側(cè)唇部進(jìn)行表面磨損測量。

圖14 場發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡實(shí)物圖

將實(shí)驗(yàn)樣本放入實(shí)驗(yàn)儀器，將鏡頭對準(zhǔn)密封圈內(nèi)側(cè)唇部與軸接觸區(qū)域，調(diào)整鏡頭位置，選取可視范圍，選擇放大倍數(shù)分別為200， 500， 1000倍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定。實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果如下。

如圖15所示，為放大200倍的電鏡實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。由圖可知，全新未使用的密封圈車削痕跡排列整齊，經(jīng)過往復(fù)實(shí)驗(yàn)臺架實(shí)驗(yàn)使用過的2個密封圈實(shí)驗(yàn)樣本，與軸接觸后密封唇受擠壓后車削痕跡不明顯。

圖15 放大200倍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖16和圖17所示分別為放大500倍和放大1000倍的電鏡實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。由圖可知，經(jīng)過往復(fù)實(shí)驗(yàn)臺架實(shí)驗(yàn)使用過的2個密封圈實(shí)驗(yàn)樣本，與軸接觸后密封唇受到磨損，其中與鍍Cr軸接觸的密封圈唇部磨痕較淺，與鍍DLC軸接觸的密封圈唇部磨痕較深。磨痕方向一致，成流線型，說明密封圈與活塞桿運(yùn)動之間有磨粒產(chǎn)生，磨粒導(dǎo)致密封圈唇部表面收到磨損、形成磨痕。由于密封圈PTFE材料較活塞桿鍍膜材料軟，因此磨粒為活塞桿鍍膜材料脫落。

圖16 放大500倍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖17 放大1000倍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 密封唇磨損表面元素測定

將5個樣本表面鍍一層Pt薄膜，利用清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的冷場發(fā)射高分辨掃描電子顯微鏡(如圖18所示)對密封圈內(nèi)側(cè)磨損唇部進(jìn)行表面元素測量。

圖18 冷場發(fā)射高分辨掃描電子顯微鏡實(shí)物圖

將實(shí)驗(yàn)樣本放入實(shí)驗(yàn)儀器，將鏡頭對準(zhǔn)密封圈內(nèi)側(cè)唇部與軸接觸區(qū)域，調(diào)整鏡頭位置，選取可視范圍，選擇放大倍數(shù)500倍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于2個使用過得密封圈分別與鍍Cr軸和鍍DLC(類金剛石)軸摩擦接觸，其對偶材料分別為Cr、C，鍍膜軸基體成分為不銹鋼，因此，測定元素為Cr、C和Fe。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

圖19所示為與鍍Cr軸接觸密封圈和全新未使用密封圈唇部的3個樣本進(jìn)行Cr元素測量結(jié)果，圖中黃色明亮點(diǎn)為Cr元素存在處，Cr元素主要存在于密封唇兩車削痕之間。由圖19a～圖19c對比可以看出，與鍍Cr軸接觸的密封圈唇部有明顯的Cr元素殘留，其中車削凹痕處Cr元素殘留較多，說明鍍Cr軸表面材料有磨損，發(fā)生了材料轉(zhuǎn)移。

圖19 測量Cr元素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖20所示為對于鍍DLC軸接觸的密封圈和全新未使用的密封圈2個樣本進(jìn)行C元素測量結(jié)果，圖中綠色明亮點(diǎn)為C元素存在處。由圖20a、圖20b對比可以看出，與鍍DLC軸接觸的密封圈唇部C元素含量增加，但比圖19a與鍍Cr軸接觸的密封圈Cr元素增加量少。有圖19和圖20可知，兩根鍍膜軸的鍍膜材料均發(fā)生了材料轉(zhuǎn)移，且鍍Cr膜材料轉(zhuǎn)移量大、磨損大。

圖20 測量C元素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖21所示為同時對5個樣本進(jìn)行Fe元素測量結(jié)果，圖中橙色明亮點(diǎn)為Fe元素存在處，F(xiàn)e元素主要存在于密封唇兩車削痕之間。由圖21a～圖21e對比可以看出，與鍍Cr軸接觸和與鍍DLC軸接觸的密封圈唇部均有Fe元素殘留，車削凹痕處Fe元素殘留較多，說明鍍Cr軸、鍍DLC表面鍍膜材料均有磨損，不銹鋼軸中的Fe元素發(fā)生了轉(zhuǎn)移。

圖21 測量Fe元素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由本實(shí)驗(yàn)可知，雖然密封圈PTFE材料比2種鍍膜材料軟，但接觸運(yùn)動后均與對偶材料發(fā)生了元素轉(zhuǎn)移，其中與鍍Cr軸接觸的密封圈Fe元素量大于與鍍DLC軸接觸的密封圈，說明鍍Cr膜磨損較大。

5 密封圈及活塞桿加工建議

根據(jù)密封唇磨損表面元素測定實(shí)驗(yàn)可知道，密封圈的對偶材料元素轉(zhuǎn)移集中在密封圈唇部車削痕間。因此密封圈唇部車削痕高度差對活塞桿摩擦磨損影響較大，可通過增大車削機(jī)器精度的方法，減小兩車削痕間高度差。

根于密封唇表面磨損和磨損表面元素測定實(shí)驗(yàn)可知，DLC鍍膜材料較Cr鍍膜材料好，但是由于鍍膜材料脫落產(chǎn)生磨粒，導(dǎo)致密封圈唇部磨損形成磨痕。因此，對活塞桿進(jìn)行鍍膜材料進(jìn)行加固，如在鍍DLC膜前先鍍一層鉻薄膜，然后再鍍DLC膜，從而防止鍍膜材料脫落破壞密封圈。

6 結(jié)論

本研究通過密封唇表面形貌、表面磨損、表面元素測定實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1) DLC(類金剛石)材料較硬，在白光干涉實(shí)驗(yàn)中，與鍍DLC軸接觸的密封圈唇部磨痕明顯，磨損量大；在冷場發(fā)射電鏡實(shí)驗(yàn)中，與鍍DLC軸接觸的密封圈接觸區(qū)域C元素含量有所增加。Cr材料較軟，在白光干涉實(shí)驗(yàn)中，與鍍Cr軸接觸的密封圈唇部磨痕不明顯，磨損量小；在冷場發(fā)射電鏡實(shí)驗(yàn)中，與鍍Cr軸接觸的密封圈接觸區(qū)域Cr元素含量明顯升高。綜合以上，DLC鍍膜材料更好;

(2) 由于活塞桿鍍膜層脫落，產(chǎn)生磨粒，磨粒導(dǎo)致密封圈收到磨損、形成磨痕。鍍Cr軸和鍍DLC軸的鍍膜有不同程度損傷，不銹鋼軸金屬發(fā)生材料轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致兩個使用過的密封圈Fe元素含量增加。雖然密封圈PTFE材料比兩種鍍膜材料軟，但接觸運(yùn)動后均與對偶材料發(fā)生了元素轉(zhuǎn)移;

(3) 可通過增大車削機(jī)器精度、減小兩車削痕間高度差的方法，減小密封圈對活塞桿摩擦磨損；同時，對活塞桿進(jìn)行鍍膜前應(yīng)對鍍膜材料進(jìn)行加固，防止鍍膜材料脫落破壞密封圈。