油氣混相回流泵送密封結(jié)構(gòu)啟動(dòng)過程摩擦磨損性能試驗(yàn)

李慶展 ，李雙喜 ，鄭 嬈 ，江 磊 ，曾 怡 ，朱明月

（1.中國兵器工業(yè)集團(tuán)中兵智能創(chuàng)新研究院有限公司，北京 100072；2.北京化工大學(xué)流體密封技術(shù)研究中心，北京 100029；3.北京理工大學(xué)，北京 100081）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔油氣混相回流泵送密封（Oilgas mixed-phase reflux pumping seal，OG-RPS）結(jié)構(gòu)是一種基于油氣混相潤滑技術(shù)的高速非接觸式密封結(jié)構(gòu)，在正常工作時(shí)能實(shí)現(xiàn)零泄漏和動(dòng)壓超滑，密封端面無摩擦磨損[1-2]。然而在密封啟動(dòng)過程中，密封端面未開啟狀態(tài)時(shí)密封端面接觸摩擦，由于發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔內(nèi)油氣混相介質(zhì)和密封端面螺旋槽的存在，該狀態(tài)下的摩擦狀態(tài)不同于干氣、液膜等全膜潤滑或者邊界摩擦的，當(dāng)設(shè)計(jì)、選材或操作不當(dāng)時(shí)，密封端面易發(fā)生磨損[3]，甚至失效[4]，研究其啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速變化和壓力變化等非穩(wěn)態(tài)危險(xiǎn)工況下的摩擦學(xué)性能很有必要。

目前應(yīng)用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔上的密封技術(shù)主要是浮環(huán)密封、刷式密封和機(jī)械密封，但是機(jī)械密封磨損嚴(yán)重[5]、壽命短，浮環(huán)密封和刷式密封的泄漏量大[6-8]，無法滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔高參數(shù)密封的要求?；谟蜌饣煜酀櫥夹g(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔回流泵送密封摩擦性能的研究較少，但其他關(guān)于端面摩擦性能研究也有一定參考價(jià)值。國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)合適的表面織構(gòu)能有效減少端面摩擦磨損[9-10]，降低端面溫升[11]，減少端面泄漏[12-13]，同時(shí)外加載荷和表面粗糙度[14-16]也對端面接觸狀態(tài)和密封性能影響較大。在摩擦副密封端面結(jié)構(gòu)方面，魏龍等[17]、丁雪興等[18-20]、馮秀等[21]分別研究了接觸式機(jī)械密封、螺旋槽干氣密封、螺旋槽液膜上游泵送密封的端面摩擦特性。在摩擦副材料方面，葛毅成等[22]研究了載荷對復(fù)合碳材料摩擦系數(shù)的影響；閆玉濤等[23]研究了石墨密封材料的高溫磨損性能；王振峰等[24]獲得了影響航天器高溫密封材料的基本性能參數(shù)；張鵬鵬等[25]采用銷盤試驗(yàn)研究了液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)銅基石墨材料在干摩擦和水潤滑條件下的摩擦磨損性能和磨損機(jī)理；彭旭東等[26]探究了干摩擦和油潤滑條件下，3 種國產(chǎn)典型浸酚醛樹脂石墨與SiC 陶瓷配對副的磨損形式。摩擦信號測量方面，聲發(fā)射無損監(jiān)測[27]和端面溫度監(jiān)測[28]是最常用的手段。這些研究都為航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔回流泵送密封的研究提供了導(dǎo)向。

探究在密封啟動(dòng)過程中低速運(yùn)轉(zhuǎn)、低速加載密封端面的摩擦機(jī)理，選取摩擦性能較好的摩擦副材料組對對航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔密封技術(shù)研究具有一定價(jià)值。本文針對摩擦副材料組對、摩擦副密封端面形式、啟動(dòng)加載等方面，開展航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔回流泵送密封摩擦性能試驗(yàn)研究。

1 摩擦試驗(yàn)概況

1.1 摩擦試驗(yàn)臺

摩擦試驗(yàn)臺如圖1 所示。摩擦試驗(yàn)臺型號為Plint Tribology，是一種標(biāo)準(zhǔn)化多功能摩擦學(xué)性能測試系統(tǒng)，試驗(yàn)過程中能監(jiān)測摩擦系數(shù)、摩擦溫度等參數(shù)。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。針對回流泵送密封的摩擦副進(jìn)行試驗(yàn)，動(dòng)環(huán)安裝在轉(zhuǎn)軸上，靜環(huán)固定在密封腔上，溫度傳感器監(jiān)測靜環(huán)密封端面摩擦溫度，介質(zhì)是通過油氣發(fā)生器產(chǎn)生的空氣和航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔用Aero555 潤滑油的油氣混相介質(zhì)，潤滑油具體牌號為DOD-PRF-85734A，油氣混相介質(zhì)總量3.525 L，油氣體積比0.2，環(huán)境溫度15~20 ℃。轉(zhuǎn)速高時(shí)密封密封端面會(huì)開啟，形成非接觸，此處模擬低速啟動(dòng)過程密封的摩擦磨損性能，轉(zhuǎn)速設(shè)置為低速2000 r/min，最高線速度5.3 m/s。Aero555潤滑油具有較好的熱和氧化穩(wěn)定性以及較好的承載能力，Aero555潤滑油物性和試驗(yàn)操作參數(shù)見表1。

表1 Aero555潤滑油物性和試驗(yàn)操作參數(shù)

圖1 Plint Tribology試驗(yàn)臺

圖2 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

1.2 摩擦副

航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔典型的摩擦副一般采用硬對軟組對原則。綜合考慮材料密度和強(qiáng)度，此處選擇典型的浸銻石墨和浸樹脂石墨作為軟環(huán)研究，選擇18Cr2Ni4WA 合 金 鋼、18Cr2Ni4WA 噴 涂Al2O3陶 瓷 和18Cr2Ni4WA噴涂Cr2O3陶瓷作為硬環(huán)研究，其中金屬基體+噴涂陶瓷的材料具有較好的強(qiáng)度、較硬的密封面和較好的導(dǎo)熱性能，18Cr2Ni4WA為航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承腔機(jī)械密封原動(dòng)環(huán)材料，材料屬性見表2，組對形式見表3。

表2 摩擦副材料屬性

表3 摩擦副材料組對形式

回流泵送密封結(jié)構(gòu)的密封端面加工螺旋槽，結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。為了更好地研究回流泵送密封的摩擦性能，與無槽摩擦副機(jī)械密封結(jié)構(gòu)對比分析。靜環(huán)實(shí)物如圖4 所示。螺旋槽參數(shù)見表4。

表4 螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 密封端面螺旋槽結(jié)構(gòu)形式

圖4 靜環(huán)實(shí)物

2 試驗(yàn)步驟

通過加速摩擦試驗(yàn)和密封端面加載摩擦試驗(yàn)?zāi)M密封啟動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)速變化和端面比壓變化。分6 組摩擦副材料組對依次進(jìn)行，每組摩擦副材料組對分為有螺旋槽和無槽2 種密封端面形式，其中有螺旋槽密封為回流泵送密封結(jié)構(gòu)，無槽密封為機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，啟動(dòng)過程試驗(yàn)步驟見表5。

表5 啟動(dòng)過程試驗(yàn)步驟

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 加速過程試驗(yàn)

在回流泵送密封啟動(dòng)過程中、低轉(zhuǎn)速情況下，密封端面接觸運(yùn)轉(zhuǎn)，通過加速過程試驗(yàn)?zāi)M回流泵送密封啟動(dòng)升速過程。

3.1.1 摩擦系數(shù)分析

螺旋槽回流泵送密封端面摩擦系數(shù)比無槽機(jī)械密封端面的低，螺旋槽能有效提升摩擦副潤滑特性，降低摩擦系數(shù)。這是因?yàn)槁菪鄣拇嬖谀軌驕p小密封端面摩擦面積，并產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，提供2 次油源，從而大幅度降低密封端面摩擦系數(shù)。

M120K 對不同靜環(huán)摩擦系數(shù)的影響如圖5所示。從圖中可見，對于回流泵送密封而言，組對1和組對3密封端面摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大逐漸減小，這是因?yàn)槁菪勰軌蛉菁{轉(zhuǎn)速增加過程中密封端面磨損產(chǎn)生的雜質(zhì)顆粒，從而阻止其持續(xù)破壞密封端面；組對5 密封端面摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大逐漸增大，這是因?yàn)榻饘倜芊舛嗣孑^軟，隨轉(zhuǎn)速增大容易發(fā)生磨損。對于無槽機(jī)械密封而言，3種組對密封端面摩擦系數(shù)都隨轉(zhuǎn)速增大逐漸增大，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速增加過程中因密封端面磨損產(chǎn)生的磨粒持續(xù)破壞密封端面，導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大。

圖5 M120K對不同靜環(huán)摩擦系數(shù)的影響

不同材料組對回流泵送密封摩擦系數(shù)的影響差異較大，如圖6 所示。從圖中可見，硬環(huán)密封端面為噴涂陶瓷時(shí)的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大逐漸減小，硬環(huán)密封端面為金屬時(shí)的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大逐漸增大，這是因?yàn)閲娡刻沾擅芊舛嗣孑^硬，抗磨損性能較好，金屬密封端面較軟，容易發(fā)生磨損。動(dòng)環(huán)材料為M120K 時(shí)，噴涂Al2O3密封端面摩擦系數(shù)約為18Cr2Ni4WA 密封端面摩擦系數(shù)的24.91%~46.46%；動(dòng)環(huán)材料為M120D 時(shí)，噴涂Al2O3密封端面摩擦系數(shù)約為18Cr2Ni4WA 密封端面摩擦系數(shù)的39.39%~70.39%。靜環(huán)材料為噴涂Al2O3時(shí)，M120K 摩擦系數(shù)約為M120D的摩擦系數(shù)的54.88%~61.66%；靜環(huán)材料為噴涂Cr2O3時(shí)，M120K 摩擦系數(shù)約為M120D 的摩擦系數(shù)的48.05%~55.96%。

圖6 不同材料組對回流泵送密封摩擦系數(shù)的影響

在整個(gè)加速試驗(yàn)過程中M120K-噴涂Al2O3螺旋槽回流泵送密封摩擦系數(shù)最小。轉(zhuǎn)速為2000 r/min時(shí)，組對1 和組對3 摩擦副密封端面均可以獲得超低摩擦系數(shù)（COF<0.01），與無槽機(jī)械密封相比，回流泵送密封端面摩擦系數(shù)最高可降低73.02%。

3.1.2 摩擦溫度分析

摩擦副密封端面的溫升是由摩擦生熱引起的，螺旋槽在減小密封端面摩擦系數(shù)的同時(shí)有效降低了摩擦產(chǎn)生的能量損失和端面摩擦溫升，螺旋槽回流泵送密封端面摩擦溫升約為無槽機(jī)械密封端面摩擦溫升的36.59%~65.98%，最高可降低63.41%的溫升。螺旋槽回流泵送密封的摩擦溫升趨勢較小，噴涂Al2O3的密封端面摩擦溫升最小。相同端面形式下的噴涂陶瓷密封端面摩擦溫度和摩擦溫升相近，M120K 對不同靜環(huán)摩擦溫度的影響如圖7所示。

圖7 M120K對不同靜環(huán)摩擦溫度的影響

不同材料組對回流泵送密封端面摩擦溫度的影響差距顯著，如圖8 所示。噴涂陶瓷密封端面摩擦溫度變化趨勢和摩擦溫升相近，噴涂Al2O3密封端面摩擦溫升約為18Cr2Ni4WA 密封端面摩擦溫升的31.39%~49.45%；M120K 密封端面摩擦溫度變化趨勢和摩擦溫升都較小，靜環(huán)材料為噴涂陶瓷時(shí)，M120K密封端面摩擦溫升約為M120D 密封端面摩擦溫升的50.35%~58.76%，靜環(huán)材料為18Cr2Ni4WA 時(shí)，M120K密封端面摩擦溫升與M120D 密封端面摩擦溫升差距很小。整個(gè)加速試驗(yàn)過程中，M120K-噴涂Al2O3回流泵送密封摩擦溫升最小。

圖8 不同材料組對回流泵送密封端面摩擦溫度的影響

3.2 加載過程試驗(yàn)

通過加載過程試驗(yàn)?zāi)M回流泵送密封啟動(dòng)加壓過程中密封的端面比壓變化。

3.2.1 摩擦系數(shù)分析

所有材料組對的密封端面摩擦系數(shù)都隨載荷增大而減小，這是因?yàn)檩d荷的增大使密封端面接觸狀態(tài)變好，導(dǎo)致密封端面磨合程度更好。在相同端面形式下，噴涂陶瓷的密封端面摩擦系數(shù)差距很小，M120K對不同靜環(huán)密封摩擦系數(shù)的影響如圖9所示。

圖9 M120K對不同靜環(huán)密封摩擦系數(shù)的影響

不同材料組對回流泵送密封摩擦系數(shù)的影響如圖10 所示。回流泵送密封所有材料組對的密封端面摩擦系數(shù)都隨載荷增大而減??；硬環(huán)為噴涂Al2O3的密封端面摩擦系數(shù)最小，軟環(huán)為M120K 的密封端面摩擦系數(shù)最小。靜環(huán)材料為噴涂Cr2O3和18Cr2Ni4WA時(shí)，M120K 摩擦系數(shù)與M120D 摩擦系數(shù)在載荷增大前期相差較大，后期差距很小，靜環(huán)材料為噴涂Al2O3時(shí)，M120K 摩擦系數(shù)與M120D 摩擦系數(shù)差距始終很小，說明與不同動(dòng)環(huán)材料組對時(shí)，噴涂Al2O3材料的密封端面磨合穩(wěn)定性較好。

圖10 不同材料組對回流泵送密封摩擦系數(shù)的影響

在整個(gè)加載試驗(yàn)過程中M120K-噴涂Al2O3螺旋槽回流泵送密封摩擦系數(shù)最小。載荷為200 N 時(shí)，組對1和組對3摩擦副密封端面均可以獲得超低摩擦系數(shù)（COF<0.01），與無槽機(jī)械密封相比，回流泵送密封端面摩擦系數(shù)最高可降低54.19%。

3.2.2 摩擦溫度分析

在加載過程中，螺旋槽回流泵送密封端面摩擦溫度增大趨勢比無槽機(jī)械密封端面摩擦溫度增大趨勢小，螺旋槽回流泵送密封端面摩擦溫升約為無槽機(jī)械密封端面摩擦溫升的60.48%~68.85%，最高可降低39.52%的溫升。噴涂Al2O3的密封端面摩擦溫升最小。M120K對不同靜環(huán)摩擦溫度的影響如圖11所示。

圖11 M120K對不同靜環(huán)摩擦溫度的影響

對于回流泵送密封而言，噴涂Al2O3密封端面摩擦溫度變化趨勢和摩擦溫升都較小，噴涂Al2O3密封端面摩擦溫升約為18Cr2Ni4WA 密封端面摩擦溫升的45.82%~53.63%，約為噴涂Cr2O3密封端面摩擦溫升的71.15%~88.56%；M120K 密封端面摩擦溫度和摩擦溫升都較小。整個(gè)加載試驗(yàn)過程中，M120K-噴涂Al2O3回流泵送密封摩擦溫升最小。不同材料組對回流泵送密封摩擦溫度的影響如圖12所示。

圖12 不同材料組對回流泵送密封摩擦溫度的影響

3.3 磨損情況

采用白光干涉儀測量啟動(dòng)過程試驗(yàn)后的密封端面粗糙度值和微觀形貌，結(jié)果見表6。從表中可見，試驗(yàn)后有槽回流泵送密封端面粗糙度比無螺旋槽機(jī)械密封端面粗糙度?。粍?dòng)環(huán)材料中M120D 密封端面粗糙度比M120K 粗糙度??；靜環(huán)材料中噴涂Al2O3密封端面粗糙度最小。

表6 摩擦副粗糙度變化

由于M120K 密封端面硬度低，其密封端面磨損比M120D 略微嚴(yán)重，但粗糙度數(shù)值差距不大，三維形貌結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同動(dòng)環(huán)的密封端面3維形貌

試驗(yàn)后不同動(dòng)環(huán)的密封端面SEM 如圖14 所示。從圖中可見，石墨因其多孔結(jié)構(gòu)和較差的機(jī)械性能容易發(fā)生磨損，磨損形式有材料剝落、塑性變形，其摩擦表面存在粗糙的磨損裂紋和磨屑。此外相比之下有槽密封的摩擦表面更平滑，其磨損程度較輕，這意味著螺旋槽具有一定的減摩作用。

圖14 不同動(dòng)環(huán)的密封端面SEM

M120D 石 墨 與M120K 石 墨 的 磨 痕W4f 的XPS 價(jià)帶能區(qū)如圖15 所示。如圖7（a）所示，M120D 的擬合峰位置顯示了大量WO3（在34.5 ev 和36.7 ev 下），這是由于摩擦過程中WC（在31.8 ev 和33.9 ev 下）的氧化。相比之下，在M120K 摩擦磨損過程中，可以觀察到相對少量的WO3，這意味著浸樹脂與浸銻相比，不僅可以改善石墨的摩擦學(xué)性能，而且可以提高摩擦副的抗氧化性能。

圖15 不同動(dòng)環(huán)的密封端面XPS

試驗(yàn)后噴涂Al2O3和噴涂Cr2O3密封端面無明顯磨損，密封端面存在輕微粘附；18Cr2Ni4WA 密封端面磨損較嚴(yán)重，磨損形式為粘著磨損，密封端面粘附較多。這是因?yàn)閲娡緼l2O3和噴涂Cr2O3密封端面硬度高，18Cr2Ni4WA 密封端面硬度低，18Cr2Ni4WA 密封端面更容易磨損，結(jié)果如圖16所示。

圖16 不同靜環(huán)的密封端面3維形貌

4 結(jié)論

（1）螺旋槽能夠減小密封端面摩擦面積、產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)、提供2 次油源、容納磨損顆粒，從而有效提升摩擦副潤滑特性，減少表面磨損，大幅降低摩擦系數(shù)和摩擦溫升。

（2）表面噴涂陶瓷可使密封端面磨損程度輕，有效增大摩擦副表面硬度，提高摩擦副抗磨損性能。

（3）在適當(dāng)工況下，M120K-噴涂Al2O3和M120K-噴涂Cr2O3，均可使回流泵送密封機(jī)構(gòu)獲得超低摩擦系數(shù)（COF<0.01）。

（4）在6 組材料組對中，M120K-噴涂Al2O3可使螺旋槽回流泵送密封機(jī)構(gòu)的摩擦系數(shù)、摩擦溫升和磨損程度最小。