機(jī)械密封單/雙端面紋理摩擦副的摩擦磨損特性研究

王天瑞 丁雪興 陸俊杰 張 煒

（1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院；2.浙大寧波理工學(xué)院機(jī)電與能源工程學(xué)院）

為了滿足高參數(shù)通信裝置的冷卻要求，通常將傳統(tǒng)風(fēng)冷裝置升級改造為液冷裝置，其中液冷裝置內(nèi)的動密封件決定了通信設(shè)備的冷卻效率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，機(jī)械動密封已達(dá)到全部通信裝置密封件的90%以上。 但是，隨著機(jī)械密封的使用工況和環(huán)境愈加苛刻，易造成機(jī)械密封摩擦副大面積損傷、磨損嚴(yán)重、泄漏量增大以及密封環(huán)工作壽命急劇縮短等問題。 機(jī)械密封摩擦副的潤滑狀態(tài)是它穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)，為提高潤滑性能，Yang X 等通過建立三維熱彈流模型， 研究分析在混合潤滑與全膜潤滑的條件下，三角織構(gòu)對機(jī)械密封承載能力、泄漏量和摩擦性能的影響［1］。 為進(jìn)一步提高流體承載能力，Wang X Y 等應(yīng)用NSGA-Ⅱ算法進(jìn)一步優(yōu)化織構(gòu)形狀，得出相同泄漏率下承載能力最高的槽形［2］。 對于不同激光表面變形機(jī)械密封的流體潤滑理論模型，學(xué)者們討論了織構(gòu)幾何參數(shù)對密封性能的影響——織構(gòu)的方向可以顯著改善潤滑效果，使密封開啟力提高20%以上［3～5］。 Yu Q P 等基于分形理論對機(jī)械密封摩擦磨損進(jìn)行建模，成功預(yù)測摩擦副壽命［6］。 Zhang G Y 等針對低黏度潤滑火箭渦輪泵密封副壽命問題，應(yīng)用銷盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過加工的表面紋理確實(shí)有利于提高密封性能［7］。 Adjemout M 等將摩擦副進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)改性， 其溫升幅度相對較小，膜厚隨轉(zhuǎn)速先增大后變?。?］。 為了更好地測量機(jī)械密封的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，Maria C V 等對一種新型的機(jī)械密封旋轉(zhuǎn)環(huán)溫度無線遙測系統(tǒng)進(jìn)行了研制、安裝與應(yīng)用［9］。

目前，針對水鉸鏈機(jī)械密封的摩擦研究相對缺乏，而且雙向表面紋理耦合的硬對硬摩擦副的研究起步又晚， 嚴(yán)重制約高通率通信設(shè)備的研制。 筆者結(jié)合通信設(shè)備機(jī)械密封的服役環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對動靜摩擦副進(jìn)行摩擦學(xué)性能研究；應(yīng)用冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡，探尋不同的工況、表面紋理和材料配對摩擦副的摩擦學(xué)性能變化及機(jī)理，為高參數(shù)通信裝置機(jī)械密封的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試件制備

摩擦磨損試驗(yàn)中的摩擦副材料采用機(jī)械密封常用的石墨與碳化硅。 其中石墨與碳化硅組合稱為“軟對硬”，碳化硅與碳化硅組合稱為“硬對硬”［10］。

如圖1 所示，上試件由內(nèi)六角螺釘固定且隨軸一起旋轉(zhuǎn)， 下試件與防轉(zhuǎn)銷連接保持靜止，織構(gòu)紋理形狀選等邊三角形（邊長1 mm）［11］、橢圓形（長半軸0.250 mm，短半軸0.125 mm）［12］和經(jīng)典螺旋槽。 試件的物性參數(shù)和織構(gòu)紋理幾何參數(shù)分別見表1、2。

圖1 試件結(jié)構(gòu)和織構(gòu)紋理示意圖

表1 試件的物性參數(shù)

表2 織構(gòu)紋理幾何參數(shù)

織構(gòu)的紋理通過精細(xì)化機(jī)械加工表面而成，直接影響其密封性能。 雖然已有很多手段可以實(shí)現(xiàn)摩擦副的表面改性［13～15］，但激光加工［16］方法比較先進(jìn)且應(yīng)用廣泛。 本織構(gòu)的激光雕刻過程如下：

a. 將試件放入盛有丙酮的超聲波清洗機(jī)中清洗10 min，使試件表面保持清潔；

b. 將目標(biāo)圖案調(diào)為矢量格式并導(dǎo)入激光控制模塊；

c. 將試件置于光標(biāo)定位中心，調(diào)整激光參數(shù)進(jìn)行標(biāo)刻；

d. 對標(biāo)刻的試件重新進(jìn)行超聲清洗, 去除附著在表面的殘?jiān)?并通過烘干爐去除表面水分；

e. 采用ZYGO 白光干涉表面輪廓儀檢測織構(gòu)加工質(zhì)量，測量時(shí)隨機(jī)選取3 處測量糙度以確定底部加工的平均質(zhì)量，再隨機(jī)選取3 處測量深度（織構(gòu)表面若出現(xiàn)燒結(jié)、粗糙等缺陷時(shí)，重復(fù)步驟c～e）。

激光加工織構(gòu)的底部質(zhì)量如圖2 所示，綜合考量粗糙度、加工速率和底部質(zhì)量，激光加工功率設(shè)定成最大值的40%為宜，此時(shí)填充的類型為回形、間距1 μm，掃描速度300 mm/s。

圖2 不同加工功率最大值的百分比時(shí)表面雕刻光滑度

1.2 試驗(yàn)流程

為模擬機(jī)械密封實(shí)際工作狀態(tài)，采用圖3 所示的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。 上夾具提供轉(zhuǎn)速；下夾具提供壓力。 下夾具連接拉力傳感器便于實(shí)時(shí)采集扭矩，同時(shí)在下夾具表面埋有熱電偶用于測量試件下表面的溫度， 經(jīng)換算可得實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)、摩擦力和表面溫升。 試件——摩擦副的配對方式和試驗(yàn)參數(shù)見表3。

圖3 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

表3 試件配對方式和試驗(yàn)參數(shù)

（續(xù)表3）

摩擦磨損試驗(yàn)流程如下：

a. 獲取電鏡信息。將經(jīng)過預(yù)處理的試件放入掃描電鏡設(shè)備，使之處于真空狀態(tài)，尋找目標(biāo)光譜分析，調(diào)整放大倍數(shù)，輸出圖片。

b. 稱重。 為保證測量結(jié)果的精確性，對試件進(jìn)行3 次稱重取平均值作為最終結(jié)果。

c. 對磨。 給試件表面噴涂一層潤滑油WD40后，分別安裝在上、下夾具內(nèi)進(jìn)行試車；設(shè)定相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和壓力，開始試驗(yàn)，時(shí)長為8 min。

需要說明的是，試件經(jīng)清洗后，可重復(fù)以上步驟進(jìn)行多次試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無紋理摩擦副的摩擦特性

2.1.1 摩擦系數(shù)

變工況下無紋理摩擦副實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)如圖4所示。 G1 組的摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而減?。▓D4a），但因微間隙流體潤滑的作用，該變化趨勢會最終保持不變。 G2 組的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加而減小的同時(shí)振動幅度也相應(yīng)變?。▓D4b），這是由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生的磨屑均勻分布在接觸表面，石墨碎屑有自潤滑的功能可使摩擦副運(yùn)行更加平穩(wěn)，而且硬度較小的石墨可以通過微形變來減弱摩擦界面振動，從而證明石墨對碳化硅的摩擦性能優(yōu)于碳化硅對碳化硅的。對比圖4a、b發(fā)現(xiàn)： 在同工況下G2 組摩擦系數(shù)均小于G1 組；兩組摩擦副都在300 r/min 時(shí)平穩(wěn)運(yùn)行程度最好。

圖4 無紋理摩擦副實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)

2.1.2 溫升與磨損量

摩擦副在運(yùn)行過程中的熱源主要源于端面摩擦熱和液膜攪拌熱［17］。 由圖5 可知，無紋理摩擦副溫升幅度隨轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這是由于在轉(zhuǎn)速上升階段兩摩擦副單位時(shí)間內(nèi)相對運(yùn)動路徑變長會產(chǎn)生更多的熱量。G1組在250 r/min 時(shí)溫升最大為9.9 ℃、在300 r/min時(shí)溫升最小為2.4 ℃（圖5a）， 這是由于隨著轉(zhuǎn)速的增加，潤滑狀態(tài)持續(xù)改善（300 r/min 時(shí)潤滑狀態(tài)改善得最為明顯）。 G2 組在250 r/min 時(shí)溫升最大為12.3 ℃、 在300 r/min 時(shí)溫升最小為2.6 ℃（圖5b），均高于同工況下G1 組的溫升，說明G1組在溫升方面優(yōu)于G2 組。

圖5 無紋理摩擦副溫升曲線

為了進(jìn)一步探究石墨磨損程度，經(jīng)運(yùn)行后對其磨損量進(jìn)行測量，石墨磨損程度隨轉(zhuǎn)速升高不斷加重 （250 r/min 時(shí)的磨損量為100 r/min 時(shí)的2.07 倍）， 轉(zhuǎn)速達(dá)到300 r/min 時(shí)磨損量最低（圖6）。

圖6 不同轉(zhuǎn)速時(shí)石墨的磨損量

2.2 紋理摩擦副的摩擦性能

2.2.1 摩擦系數(shù)

紋理摩擦副的摩擦系數(shù)情況如圖7 所示，不同織構(gòu)對摩擦系數(shù)影響較大且在運(yùn)行過程產(chǎn)生的“振動”差異化明顯。由圖7a 可見，A2 組平均摩擦系數(shù)為0.130，波動最?。籄1 組摩擦平均系數(shù)為0.060，波動最大。 造成這種現(xiàn)象的原因是：橢圓織構(gòu)尺寸小、密度大，端面上均勻分布，旋轉(zhuǎn)過程易產(chǎn)生負(fù)壓吸入液體介質(zhì)導(dǎo)致油膜分布均勻使摩擦副穩(wěn)定運(yùn)行，但產(chǎn)生的承載力不足以進(jìn)一步減小摩擦系數(shù)； 三角織構(gòu)的內(nèi)徑-外徑速度差導(dǎo)致外徑承載能力大于內(nèi)徑承載力，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)易發(fā)生振動。由圖7b 可見，B1 組平均摩擦系數(shù)為0.130，B2 組為0.042， 兩組摩擦副振動幅度相似且較大，不同紋理對振幅影響較小。

圖7 紋理摩擦副實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)

2.2.2 溫升與磨損量

紋理摩擦副溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示?？梢钥闯?，A1、A2、A3 組的溫升分別為4.1、12.3 、15.3 ℃（圖8a）；B1、B2 組 的 溫 升 分 別 為11.1、3.8 ℃（圖8b）。 B2 組的溫升幅度為B1 組的34.23%，同時(shí)小于A1 組的溫升幅度。 B1 組與A3組的紋理同為螺旋槽， 但是溫升幅度為A3 組的72.55%。

圖8 紋理摩擦副溫升曲線

由圖9 可見，A3 組石墨磨損最大，A1 組的最小，僅為A3 組的48.48%，這說明不同紋理對磨損量有較大影響。

圖9 不同紋理的石墨磨損量

2.3 摩擦副界面形貌

磨損較為嚴(yán)重的石墨環(huán)形貌測試結(jié)果如圖10 所示。 由圖10a 可知，A1 組大部分表面磨損較輕， 但對偶件紋理尖角對應(yīng)的區(qū)域磨損較為嚴(yán)重，這是因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)具有三角形幾何特征的織構(gòu)會在尖角處聚集并儲存大量磨屑，動環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動將這些磨屑逸出， 從而發(fā)生磨粒磨損。圖10b 為A2 組石墨環(huán)磨損后的表面形貌， 表面磨損較為嚴(yán)重，這是因?yàn)闄E圓形織構(gòu)的切削刃沿旋轉(zhuǎn)方向投影較短易發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致表層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大片剝落，其余部分為磨損較輕的犁溝區(qū)域［18］。 圖10c 為A3 組磨損后的表面形貌，磨損形式主要為黏著磨損，基體表面出現(xiàn)犁溝但未出現(xiàn)大片剝落，這是因?yàn)槁菪€的幾何特性能使摩擦副運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的石墨磨屑由外徑推送至內(nèi)徑，同時(shí)沿旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行周向遷移，這樣石墨磨屑可被均勻分布在摩擦界面， 避免產(chǎn)生嚴(yán)重的磨粒磨損。 另外，均勻分布的石墨磨屑又起到一定的潤滑作用，此時(shí)合適的“切削”力度對摩擦性能有所提升。

圖10 試驗(yàn)后試件表面形貌

3 結(jié)論

3.1 不同工況下，無紋理摩擦副G2 組（軟對硬）的摩擦系數(shù)普遍小于G1 組（硬對硬）的且運(yùn)行穩(wěn)定，但前者的磨損量和溫升均大于后者的。無紋理摩擦副主要是通過提高轉(zhuǎn)速來改善潤滑狀態(tài)的，在轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí)，摩擦副的摩擦系數(shù)很小且運(yùn)行平穩(wěn)。

3.2 有紋理摩擦副軟對硬組別中，三角形紋理摩擦副的摩擦性能最優(yōu)，橢圓形紋理摩擦副的摩擦性能變差，這說明不合適的紋理會導(dǎo)致摩擦副的摩擦性能下降； 有紋理摩擦副硬對硬組別中，雙面紋理摩擦副的摩擦性能優(yōu)于單面紋理摩擦副的，因而當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，可用雙面紋理來改善摩擦副的潤滑狀態(tài)。

3.3 石墨環(huán)對偶件紋理尖角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，同時(shí)在該處聚集的磨屑在排出時(shí)容易發(fā)生磨粒磨損現(xiàn)象，因而在加工紋理時(shí)應(yīng)對尖角進(jìn)行適當(dāng)修飾。