端面寬度對(duì)機(jī)械密封極限pcv(pressure×velocity)值的影響

周躍杰,彭旭東,江錦波,孟祥鎧,馬 藝

(浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 杭州 310032)

機(jī)械密封具有可靠性高、使用壽命長(zhǎng)以及功率損失小等顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、海洋船舶和核電等領(lǐng)域[1-2].機(jī)械密封端面通常由一對(duì)材料硬度不同的摩擦副組成，浸漬石墨和碳化硅因各自具有優(yōu)異的物化性能，是分別用于制造摩擦副的典型靜環(huán)和動(dòng)環(huán)用材[3-4].浸呋喃樹脂石墨的摩擦學(xué)特性和機(jī)械強(qiáng)度均優(yōu)于未浸漬石墨，并且浸呋喃樹脂石墨在摩擦表面可形成更加穩(wěn)定的轉(zhuǎn)移膜，能有效降低摩擦系數(shù)和磨損率[5-7].眾多研究表明[8-9]，石墨和碳化硅配副較碳化硅和碳化硅配副表現(xiàn)出更優(yōu)的摩擦與耐磨特性.因此，在本文中選取浸呋喃樹脂石墨與微孔常壓燒結(jié)碳化硅作為密封摩擦副.

pv(壓力p×速度v)值是設(shè)計(jì)和評(píng)判機(jī)械密封的依據(jù)[10]，一對(duì)摩擦副構(gòu)成的機(jī)械密封失效時(shí)可達(dá)到的最大pv值定義為該對(duì)摩擦副的極限pv值，極限pv值的提出是機(jī)械密封技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志.國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[11-15]，石墨與硬質(zhì)材料配副的摩擦學(xué)特性隨工況參數(shù)pv值的變化而改變，并且密封在不同pv值下的失效機(jī)理各異，其中摩擦副在高pv值工況下運(yùn)行往往穩(wěn)定性較差.限定摩擦副的極限pv值是保障密封安全性和可靠性的關(guān)鍵.摩擦副的極限pv值主要受配對(duì)材料和幾何結(jié)構(gòu)兩方面的影響[10]，其中端面寬度是機(jī)械密封基本結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，其數(shù)值大小是影響端面比壓大小和端面摩擦學(xué)特性的重要因素.眾多研究表明[16-18]，在一定程度上減小端面寬度有利于密封介質(zhì)進(jìn)入端面間隙形成液膜，改善摩擦副界面潤(rùn)滑狀態(tài)，有效降低端面摩擦生熱，并且較窄的端面具有更好的變工況適應(yīng)能力.但仍未有研究表明端面寬度對(duì)極限pv值的影響機(jī)制.

不同的定義方式?jīng)Q定了機(jī)械密封極限pv值的不同含義，本文旨在研究機(jī)械密封失效時(shí)摩擦副端面比壓與端面平均線速度的乘積-極限pcv值[10].與軸承極限pv值測(cè)試不同[19-22]，將摩擦溫升或振動(dòng)數(shù)值超限作為判斷機(jī)械密封達(dá)到極限pcv值的依據(jù)不合理.然而，由于機(jī)械密封極限pcv值的研究報(bào)道較少，同時(shí)基于密封失效的判定存在磨損率突增[7,10,12]、摩擦生熱突增[7,12]、材料熱裂[14]和摩擦系數(shù)突增[7,23]等多種依據(jù)，尚未形成機(jī)械密封極限pcv值的統(tǒng)一測(cè)試方法，并且尚未揭示機(jī)械密封達(dá)到極限pcv值時(shí)的失效機(jī)理.因此，在本研究中采用定速度變載荷和變速度定載荷兩種不同測(cè)試方法探討端面寬度對(duì)機(jī)械密封極限pcv值的影響，以期獲得不同變量因素對(duì)極限pcv值的影響規(guī)律，為機(jī)械密封的設(shè)計(jì)和延壽提供指導(dǎo).

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用電液伺服PV摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)試不同端面寬度機(jī)械密封的極限pcv值，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示.試驗(yàn)機(jī)包括機(jī)械密封試驗(yàn)腔、密封介質(zhì)控溫控壓循環(huán)裝置、伺服加載系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).

其中，機(jī)械密封試驗(yàn)腔包括腔體、摩擦副、旋轉(zhuǎn)軸、靜止軸和輔助密封等組成，旋轉(zhuǎn)軸與動(dòng)環(huán)直聯(lián)并傳遞驅(qū)動(dòng)力，旋轉(zhuǎn)軸與腔體之間的密封依靠輔助機(jī)械密封實(shí)現(xiàn)，靜止軸上安裝有力加載裝置、力傳感器和扭矩傳感器，與測(cè)試機(jī)械密封的靜環(huán)連接，其與腔體之間的密封依靠唇形密封實(shí)現(xiàn)；密封介質(zhì)控溫控壓循環(huán)裝置由介質(zhì)加熱裝置和隔膜泵組成，可為腔體提供一定溫度和壓力的密封介質(zhì)；伺服加載系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)0～9 000 r/min無(wú)級(jí)變速，并可提供0～4 kN的端面法向載荷；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于對(duì)腔體介質(zhì)溫度和壓力及密封性能參數(shù)信號(hào)的采集和處理.

1.2 關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量

在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，安裝在靜止軸上的力傳感器和扭矩傳感器分別實(shí)時(shí)測(cè)量摩擦副的端面壓力和摩擦扭矩，安裝在腔體內(nèi)壁與密封端面等高處的溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量密封介質(zhì)溫度，下面用于分析的各項(xiàng)測(cè)試參數(shù)均為不少于3次測(cè)量值的平均值.用掃描電子顯微鏡(SEM,FEI Quanta 200F)和三維激光形貌儀(3D-MLM,LEXT OLS5000)測(cè)量摩擦副試驗(yàn)前后的表面形貌.

1.3 測(cè)試方法

選用浸呋喃樹脂石墨與微孔常壓燒結(jié)碳化硅作為密封配對(duì)摩擦副.為研究端面寬度對(duì)極限pcv值的影響，依據(jù)國(guó)內(nèi)外普通機(jī)械密封常用的端面寬度尺寸系列，選擇五種端面寬度尺寸(2.5、3.0、3.5、4.0和4.5 mm)的石墨密封環(huán)開展試驗(yàn).試驗(yàn)介質(zhì)采用清水，并加熱至80±2.5 ℃.摩擦副材料和試驗(yàn)介質(zhì)的物理性質(zhì)列于表1中.

試驗(yàn)前，用研磨機(jī)將石墨和碳化硅研磨至表面粗糙度Ra為0.08～0.12 μm，平面度研磨至約0.6 μm，在酒精中超聲清洗5 min后用冷風(fēng)吹干備用.分別用平面度儀、三維激光形貌儀和掃描電子顯微鏡測(cè)量摩擦副試驗(yàn)前的平面度、表面粗糙度和表面形貌.試驗(yàn)時(shí)，采用定速度變載荷(簡(jiǎn)稱為PV法)和變速度定載荷(簡(jiǎn)稱為VP法)兩種測(cè)試方法，分別通過(guò)改變載荷和速度獲得摩擦副的極限pcv值，比如：針對(duì)定速度變載荷測(cè)試方式選取3 000和6 000 r/min兩種轉(zhuǎn)速(對(duì)應(yīng)的端面平均線速度值分別為7.84和15.68 m/s)，可分別定義為PV3000法和PV6000法.采用3 000 r/min轉(zhuǎn)速下的定速度變載荷方法測(cè)試時(shí)，給予摩擦副0.5 MPa初始端面比壓，試驗(yàn)開始后按180±20 N/min的加載速度提升端面載荷直至密封失效，記錄采用PV3000法測(cè)試時(shí)密封失效對(duì)應(yīng)的極限端面比壓，定義為pc3000；采用變轉(zhuǎn)速定載荷方式測(cè)試時(shí)，為了避免啟動(dòng)時(shí)端面摩擦扭矩過(guò)大導(dǎo)致電機(jī)過(guò)載，先在3 000 r/min轉(zhuǎn)速下，將摩擦副端面比壓由0.5 MPa提升至pc3000的0.75倍，再按210 r/min的增速線性提升轉(zhuǎn)速直至密封失效，記錄采用VP法測(cè)試時(shí)密封失效對(duì)應(yīng)的端面平均線速度，定義為極限v值.將摩擦副端面摩擦系數(shù)發(fā)生突增作為密封失效判定依據(jù).試驗(yàn)后，使用掃描電鏡SEM和三維表面形貌儀3D-MLM測(cè)量摩擦副表面的磨損形貌.

2 結(jié)果與討論

2.1 端面寬度對(duì)極限pcv值的影響

圖2所示為由浸呋喃樹脂石墨和微孔常壓燒結(jié)碳化硅配對(duì)的五種端面寬度摩擦副分別采用PV3000法、PV6000法和VP法測(cè)得的極限pcv值以及密封失效時(shí)具體對(duì)應(yīng)的極限pc值和極限v值.由圖2(a)可知，三種測(cè)試方法測(cè)得的極限pcv值均隨著端面寬度增加呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且圖2(b)顯示極限pc值和VP法測(cè)得的極限v值均表現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，此外VP法測(cè)得的極限v值介于PV3000法和PV6000法設(shè)定的摩擦線速度之間.采用PV3000法與VP法測(cè)得的極限pcv值差異不大，而采用PV6000法測(cè)得的極限pcv值明顯大于這二者，從表面上看，轉(zhuǎn)速增大有利于摩擦副達(dá)到更大的極限pcv值，其中端面寬度為2.5 mm的摩擦副采用PV6000法測(cè)試時(shí)極限pcv值達(dá)到了約78 MPa·m/s.然而，圖2(b)顯示PV6000法對(duì)應(yīng)密封失效時(shí)的極限pc值均小于PV3000法.結(jié)果表明，給定速度6 000 r/min時(shí)對(duì)應(yīng)摩擦副的極限pcv值相對(duì)于較低給定速度3 000 r/min時(shí)較高，極限pc值較低.值得注意的是，隨著端面寬度增加，PV6000法測(cè)得的極限pcv值與PV3000法所測(cè)結(jié)果相比差值逐漸減小，由端面寬度為2.5 mm時(shí)的1.91倍降低至端面寬度為4.5 mm時(shí)的1.33倍.結(jié)合機(jī)械密封極限pcv值的定義式[10].

式中：ps為彈簧比壓，單位為MPa；B為平衡系數(shù)；K為膜壓系數(shù)(介質(zhì)為水時(shí)通常取0.5)；Δp為端面內(nèi)外側(cè)壓力差，單位為MPa；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，單位為r/min；Di和Do分別為端面內(nèi)外直徑，單位為mm；dm為平衡直徑，單位為mm；b為端面寬度，單位為mm.

Fig.2 The limit pcv values of mechanical seals with five different values of end-face width圖2 五種端面寬度機(jī)械密封的極限pcv值

在本試驗(yàn)中，已知平衡直徑為50 mm，通過(guò)對(duì)端面內(nèi)外直徑的設(shè)計(jì)，將平衡系數(shù)設(shè)定為0.5，以規(guī)避介質(zhì)壓力對(duì)端面比壓的影響，因此端面摩擦副pcv值直接由加載裝置提供的彈簧比壓ps及電機(jī)轉(zhuǎn)速n和端面尺寸獲得.理論上，若采用PV3000法與PV6000法測(cè)試時(shí)要達(dá)到相同極限pc值，則PV6000法測(cè)得的極限pcv值為PV3000法的2倍.然而，從圖2可看出，采用PV6000法測(cè)得的極限pcv值隨端面寬度增加逐漸趨近于PV3000法所測(cè)值.據(jù)此推測(cè)，端面寬度增加將使摩擦副在較高速度條件下提前達(dá)到極限pcv值，結(jié)合轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦副摩擦學(xué)特性影響的研究[20-22,24]，將原因歸結(jié)于寬端面摩擦副在高轉(zhuǎn)速下的兩個(gè)突出問(wèn)題：高值摩擦生熱及熱量的不易散失，由此引發(fā)端面間液膜汽化，因此使摩擦副提前達(dá)到極限pcv值.

2.2 端面寬度對(duì)摩擦系數(shù)的影響

摩擦系數(shù)作為表征端面摩擦狀態(tài)的重要參數(shù)，受到法向載荷、滑動(dòng)速度和環(huán)境溫度等工況條件的影響.掌握測(cè)試過(guò)程摩擦系數(shù)的變化對(duì)了解摩擦副的摩擦狀態(tài)具有重要意義，在本試驗(yàn)中通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中摩擦副的端面載荷和摩擦扭矩?fù)Q算得摩擦系數(shù)f.

式中：Mf表示端面摩擦扭矩，單位為N·m；A表示端面面積，單位為mm2.

圖3(a)、(b)和(c)分別為五種端面寬度摩擦副采用PV3000法、PV6000法和VP法測(cè)試極限pcv值時(shí)的摩擦系數(shù)時(shí)變曲線.可以看出，在PV3000法和PV6000法測(cè)試過(guò)程中，五種端面寬度摩擦副的摩擦系數(shù)均表現(xiàn)出隨端面比壓增大而減小的趨勢(shì)，并在摩擦副達(dá)到極限pcv值時(shí)發(fā)生突增.究其原因，機(jī)械密封摩擦副表面實(shí)際為非光滑表面，受載荷作用摩擦副產(chǎn)生擠壓，粗糙凸峰相互接觸或嚙合，端面部分多數(shù)產(chǎn)生固體接觸摩擦，端面間僅僅存在因微滲存在的很小局部流體膜，因此在密封啟動(dòng)瞬間，端面摩擦扭矩較大，表現(xiàn)為較大的摩擦系數(shù)；隨著密封繼續(xù)運(yùn)行，接觸粗糙凸峰發(fā)生變形或斷裂，介質(zhì)進(jìn)入端面并對(duì)摩擦副產(chǎn)生潤(rùn)濕作用，引起摩擦系數(shù)的迅速降低.當(dāng)端面載荷逐漸增大時(shí)，端面間的實(shí)際接觸點(diǎn)和接觸面積增加，端面接觸應(yīng)力減小，因此引起摩擦系數(shù)的下降.

Fig.3 Friction coefficient of mechanical seals with five different values of end-face width圖3 五種端面寬度機(jī)械密封的摩擦系數(shù)

同時(shí)還看出，采用PV3000法測(cè)試時(shí)五種端面寬度摩擦副的摩擦系數(shù)在前150 s迅速下降，并于200 s之后保持在0.05～0.13的范圍內(nèi)且相對(duì)穩(wěn)定，摩擦副處于混合摩擦狀態(tài)，并且較窄端面摩擦副相比較寬端面摩擦副具有更大的摩擦系數(shù)，其原因與窄端面密封端面比壓的加載速度較大有關(guān)[25].采用PV6000法測(cè)試時(shí)，五種端面寬度摩擦副的摩擦系數(shù)下降速度存在較大差異，較窄端面摩擦系數(shù)的下降速度比較寬端面緩慢.采用VP法測(cè)試，在試驗(yàn)前期，提升端面載荷的過(guò)程與PV3000法相似，摩擦系數(shù)也表現(xiàn)出相似的下降趨勢(shì)，大約于200 s后處于相對(duì)穩(wěn)定；在試驗(yàn)后期，固定端面載荷提升轉(zhuǎn)速時(shí)摩擦系數(shù)未發(fā)生明顯變化，直至摩擦副達(dá)到極限pcv值時(shí)發(fā)生突增，與Zhu[7]在干摩擦條件下獲得的研究結(jié)果相似.圖3(d)所示為不同測(cè)試方法下五種端面寬度摩擦副失效時(shí)的摩擦系數(shù)，在相同測(cè)試方法下，失效時(shí)的摩擦系數(shù)表現(xiàn)出隨著端面寬度增加而增加的趨勢(shì)，意味著使較寬端面摩擦副達(dá)到極限pcv值需要更高的端面摩擦扭矩；在相同端面寬度下，密封失效時(shí)的摩擦系數(shù)以PV6000法最大，PV3000法其次，而VP法最小.

2.3 端面寬度對(duì)密封介質(zhì)溫度的影響

在機(jī)械密封運(yùn)行期間，密封介質(zhì)溫度將因主副密封摩擦副摩擦生熱、攪拌生熱和密封腔自然散熱等因素綜合影響而產(chǎn)生變化，對(duì)介質(zhì)溫度的測(cè)量可輔助判斷密封是否出現(xiàn)故障.圖4(a)、(b)和(c)分別為五種端面寬度摩擦副采用PV3000法、PV6000法和VP法三種不同測(cè)試方法測(cè)得的介質(zhì)溫度時(shí)變曲線.總體而言，在測(cè)試初期短時(shí)間內(nèi)，介質(zhì)溫度均呈略降趨勢(shì)，之后便呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)，并且在相同測(cè)試方法中五種端面寬度摩擦副對(duì)應(yīng)的介質(zhì)溫度變化趨勢(shì)基本一致.究其原因，機(jī)械密封運(yùn)行較短時(shí)間內(nèi)，受密封部件攪拌和試驗(yàn)初期較低pcv值的影響，摩擦和攪拌生熱量不及密封腔自然散熱量，介質(zhì)會(huì)與密封部件和腔體內(nèi)壁產(chǎn)生充分熱交換而導(dǎo)致介質(zhì)溫度略降；隨著密封繼續(xù)運(yùn)行，受主副密封的端面摩擦熱、攪拌生熱和試驗(yàn)pcv值逐步提高的影響，摩擦和攪拌生熱量超過(guò)密封腔自然散熱量，介質(zhì)溫度逐漸升高，且升溫幅度與pcv值成正比[15].

Fig.4 Sealing medium temperature varying with five different values of end-face width圖4 五種端面寬度機(jī)械密封對(duì)密封介質(zhì)溫度的影響規(guī)律

圖4(d)為五種端面寬度摩擦副在三種測(cè)試方法下達(dá)到極限pcv值時(shí)的介質(zhì)溫度.結(jié)果表明：在相同測(cè)試方法下，與較寬端面摩擦副相比，較窄端面摩擦副達(dá)到極限pcv值時(shí)的介質(zhì)溫度較高.其原因在于，介質(zhì)易進(jìn)入較窄端面摩擦副界面并易于形成較完整的表面膜，并且較窄端面摩擦副具有更好的散熱能力，因此，需要更高的熱量破壞較窄端面摩擦副的界面膜使密封失效，該熱量可由端面摩擦生熱或/和密封介質(zhì)攪拌生熱提供.

在相同端面寬度下，與PV3000法相比，采用PV6000法測(cè)試時(shí)的介質(zhì)溫度明顯較高，結(jié)合圖2(b)所示采用PV6000法測(cè)試時(shí)摩擦副達(dá)到極限pc值均小于PV3000法的結(jié)果，說(shuō)明轉(zhuǎn)速提高引起的高熱量值導(dǎo)致摩擦副提前達(dá)到極限pcv值.當(dāng)端面寬度相同時(shí)，采用PV3000法和VP法測(cè)得的極限pcv值和失效時(shí)的介質(zhì)溫度均比較接近，已知采用VP法測(cè)試時(shí)其對(duì)應(yīng)端面比壓為PV3000法測(cè)試時(shí)極限端面比壓pc3 000的0.75倍；此外，圖2(b)顯示采用VP法測(cè)試時(shí)達(dá)到的極限端面平均線速度均大于PV3000法所測(cè)值，說(shuō)明在較低端面載荷條件下，通過(guò)提高摩擦速度，增強(qiáng)摩擦和攪拌產(chǎn)熱，提高摩擦副溫度，也可使摩擦副達(dá)到極限pcv值.

2.4 端面寬度對(duì)磨損形貌的影響

為了揭示機(jī)械密封摩擦副極限pcv值測(cè)試過(guò)程的端面磨損機(jī)理，探究在不同測(cè)試方法下端面寬度對(duì)極限pcv值的影響機(jī)制，采用SEM和3D-MLM評(píng)估不同測(cè)試條件下端面的磨損形貌.由圖2(a)可知，五種端面寬度摩擦副采用PV6000法測(cè)試時(shí)獲得的極限pcv值差異最大，為了更清晰展現(xiàn)不同端面寬度對(duì)測(cè)試結(jié)果造成的影響，特選擇PV6000法測(cè)試后的端面磨損形貌進(jìn)行分析.

Fig.5 Wear morphology of graphite rings with five different values of end-face width by using PV6000 method before and after the test圖5 石墨密封環(huán)試驗(yàn)前以及五種端面寬度石墨環(huán)運(yùn)用PV6000法的磨損形貌

圖5(a)所示為石墨密封環(huán)試驗(yàn)前的表面形貌，圖5(b～f)分別示出了五種端面寬度石墨環(huán)的磨損表面形貌.可以看出，五種端面寬度石墨的磨損表面均可清晰地發(fā)現(xiàn)平行于滑動(dòng)方向SD (sliding direction)的犁溝和大面積的材料脫落，主要磨損機(jī)制為磨粒磨損[7]和黏著磨損[23].在測(cè)試過(guò)程中，由于石墨磨損產(chǎn)生大量磨屑，較大的磨屑顆粒以及碳化硅表面的粗糙凸峰對(duì)石墨表面產(chǎn)生犁削作用，致使石墨環(huán)表面產(chǎn)生較多平行于滑動(dòng)方向的犁溝.當(dāng)端面載荷和摩擦熱的綜合作用達(dá)到一定程度時(shí)，兩密封面發(fā)生短暫的“膠合”，表現(xiàn)為端面摩擦系數(shù)或摩擦扭矩的急劇上升.隨著摩擦系數(shù)的急劇上升，產(chǎn)生了較大的剪切力，使石墨表層材料被局部剝離；當(dāng)石墨表面的“膠合”區(qū)域發(fā)生局部脫落后，端面摩擦系數(shù)又瞬間降低.此外，采用PV6000法測(cè)試的五種端面寬度摩擦副的石墨環(huán)，其表面不僅因轉(zhuǎn)速過(guò)高不易形成完整表面膜結(jié)構(gòu)，而且磨損表面呈現(xiàn)出基本相同的磨損特征，說(shuō)明五種端面寬度摩擦副達(dá)到極限pcv值時(shí)的失效機(jī)理是一致的.但是，不同端面寬度摩擦副測(cè)得的極限pcv值存在差異，其原因結(jié)合圖3(d)和圖4(d)分析可知，與較寬端面摩擦副相比，較窄端面摩擦副界面更容易形成局部流體潤(rùn)滑膜，不僅減摩抗磨效果明顯，而且散熱能力更強(qiáng)，因此較窄端面摩擦副需要更高參數(shù)工況以產(chǎn)生更嚴(yán)重的熱力問(wèn)題才能使密封失效.

相應(yīng)地，采用PV6000法進(jìn)行測(cè)試，碳化硅與五種端面寬度石墨配對(duì)運(yùn)行后其表面形貌如圖6所示.其中，圖6(a)所示為碳化硅試驗(yàn)前的表面形貌，圖6(b～f)分別為與五種端面寬度石墨配副時(shí)碳化硅的磨損形貌.由圖6(b～f)可以看出，碳化硅表面有石墨轉(zhuǎn)移層殘留，值得注意的是，端面寬度越大，石墨轉(zhuǎn)移層的分布面越廣，結(jié)合圖3(d)中摩擦系數(shù)隨端面寬度增加而增加的規(guī)律，可知較寬端面摩擦副的摩擦狀態(tài)比較窄端面摩擦副差，導(dǎo)致較寬端面摩擦副在達(dá)到極限pcv值時(shí)石墨與碳化硅的“膠合”作用更強(qiáng)，“膠合”面積更廣，對(duì)應(yīng)使石墨表面“膠合”部位被剝離需要更強(qiáng)的剪切作用，因此在密封失效時(shí)較寬端面摩擦副的摩擦系數(shù)也更大.

Fig.6 Wear morphology of silicon carbide rings paired with graphite rings with five different values of end-face width by using PV6 000 method before and after the test圖6 試驗(yàn)前以及與五種端面寬度石墨配副的碳化硅運(yùn)用PV6000法的磨損形貌

2.5 測(cè)試方法對(duì)磨損形貌的影響

采用PV3000法、PV6000法和VP法三種測(cè)試方法測(cè)得了不同端面寬度摩擦副的極限pcv值，但是三種方法測(cè)得的數(shù)值存在較大差異，為探究其原因，結(jié)合圖2所示結(jié)果，選擇極限pcv值差異最大的對(duì)應(yīng)端面寬度為2.5 mm的摩擦副來(lái)進(jìn)行分析.

針對(duì)端面寬度為2.5 mm的摩擦副機(jī)械密封，圖7～9示出了分別采用PV3 000法、PV6 000法和VP法測(cè)試后的石墨表面磨損形貌.對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相較于采用VP法試驗(yàn)后石墨磨損表面材料脫落區(qū)域呈散點(diǎn)狀分布且整體性差的特點(diǎn)，采用PV3000法和PV6000法試驗(yàn)后的石墨磨損表面材料脫落程度更嚴(yán)重，形成的凹坑和斷裂邊界更明顯，其主要原因在于：采用PV3000法和PV6000法測(cè)試時(shí)的端面法向載荷較大，對(duì)石墨表層更深的部位產(chǎn)生影響，因此結(jié)合圖3(d)所示，依據(jù)PV3000法和PV6000法對(duì)應(yīng)密封失效時(shí)的端面摩擦系數(shù)明顯大于VP法的測(cè)試結(jié)果，可以推斷摩擦狀態(tài)的惡化使石墨材料受到了更嚴(yán)重的破壞.此外，由圖8(a)可以看出，采用PV6000法測(cè)試后的石墨磨損表面存在起泡現(xiàn)象，究其原因，結(jié)合圖4所示采用PV6000法測(cè)試時(shí)的介質(zhì)溫度明顯高于采用PV3000法和VP法測(cè)試時(shí)的介質(zhì)溫度，可以推斷過(guò)量的端面生熱引起了石墨表面起泡[13,26]，并使石墨表層材料強(qiáng)度下降，導(dǎo)致其更容易被剝落.因此，采用PV6000法測(cè)試時(shí)可達(dá)到的極限pc值較PV3000法小，證實(shí)了圖2(b)所示結(jié)果的合理性.

綜上所述，采用定速度變載荷(PV)和變速度定載荷(VP)兩種方法測(cè)試機(jī)械密封極限pcv值的失效機(jī)理相同，均表現(xiàn)為石墨表層材料在摩擦剪切作用下發(fā)生的剝落，但是相比于VP法，采用PV法獲得密封失效的試驗(yàn)時(shí)間較短，對(duì)石墨材料破壞的嚴(yán)重程度和失效現(xiàn)象的明顯程度更利于考查[21-22,24-25]；就兩種PV法比較而言，PV3000法更適合于機(jī)械密封極限pcv值測(cè)試.

Fig.7 Wear morphology of graphite ring with end face width of 2.5 mm by using PV3 000 method圖7 端面寬度為2.5 mm的石墨環(huán)在PV3 000法下的磨損形貌

Fig.8 Wear morphology of graphite ring with end face width of 2.5 mm by using PV6 000 method圖8 端面寬度為2.5 mm的石墨環(huán)在PV6 000法下的磨損形貌

Fig.9 Wear morphology of graphite ring with end face width of 2.5 mm by using VP method圖9 端面寬度為2.5 mm的石墨環(huán)在VP法下的磨損形貌

3 結(jié)論

a.機(jī)械密封端面摩擦副極限pcv值的測(cè)試過(guò)程是1個(gè)多種因素交互影響的復(fù)雜過(guò)程.與較寬端面摩擦副相比，較窄端面摩擦副的失效需要更高參數(shù)工況以產(chǎn)生更嚴(yán)重的熱力問(wèn)題，最終達(dá)到的極限pcv值更大.

b.定速度變載荷(PV)和變速度定載荷(VP)兩種方法均可用于測(cè)量機(jī)械密封失效時(shí)的極限pcv值，兩者比較建議選擇PV測(cè)試法，而PV法則建議PV3000測(cè)試法，因?yàn)镻V3000法更適合于機(jī)械密封極限pcv值測(cè)試.

c.極限pcv值測(cè)試過(guò)程中，密封失效主要表現(xiàn)為石墨環(huán)密封面產(chǎn)生的磨粒磨損和黏著磨損以及高負(fù)荷下的點(diǎn)蝕或泡疤，表層石墨在摩擦剪切力作用下產(chǎn)生剝落和向配對(duì)副表面轉(zhuǎn)移.