徐理善,陸俊杰,宋慧
(1.浙大寧波理工學(xué)院,315010,浙江寧波;2.中國科學(xué)院海洋材料及相關(guān)技術(shù)重點實驗室,315201,浙江寧波)
深海推進(jìn)器是我國建設(shè)海洋強(qiáng)國的戰(zhàn)略性裝置[1],對海洋資源的探索具有關(guān)鍵性作用。設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸用機(jī)械密封直接影響深海推進(jìn)器的密封效果、熱控效率以及設(shè)備可靠性運(yùn)行。如圖1所示,深海推進(jìn)器在航行時會連續(xù)下潛、上浮,海水壓力以及航行速度都會對深海推進(jìn)器密封性能影響較大,使其壓力和轉(zhuǎn)速都會受到影響和相應(yīng)的改變。為了降低轉(zhuǎn)軸機(jī)械密封承載壓力,導(dǎo)致采用新型的壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)來平衡內(nèi)外側(cè)壓差[2]。但是,由于壓力補(bǔ)償裝置和深海洋流波動,使得深海推進(jìn)器機(jī)械密封處于端面比壓波動和主軸轉(zhuǎn)速波動的服役環(huán)境中,容易造成動靜環(huán)端面變形使密封間隙液膜分布不均[3-5],從而引起密封失效以及大幅泄漏,最終令深海推進(jìn)器無法正常工作。
圖1 深海推進(jìn)器與機(jī)械密封示意圖Fig.1 Schematic diagram of deep-sea propeller and mechanical seal
針對機(jī)械密封端面摩擦問題,國內(nèi)外專家做了大量實驗研究,涉及密封泄漏率、端面溫升、PV值、轉(zhuǎn)矩、磨損率等性能參數(shù)變化規(guī)律[6-11]。Tournerie等通過端面溫度變化規(guī)律來判斷液膜狀態(tài)[12];賈謙等考慮了渦輪泵密封件螺旋槽參數(shù)對機(jī)械密封性能的影響[13];Lee等發(fā)現(xiàn)密封環(huán)的周期性接觸會產(chǎn)生高頻諧振蕩并最終導(dǎo)致密封環(huán)的磨損或瞬間失效[14];胡小云通過采用信息融合技術(shù),將機(jī)械密封端面摩擦副材料和幾何形狀的靜態(tài)信息與不同工況下試驗測得的溫度、扭矩、摩擦狀態(tài)等動態(tài)信息相結(jié)合,綜合分析端面流體膜和摩擦狀態(tài)的變化情況,因此獲得機(jī)械密封性能和使用壽命的影響規(guī)律[15]。Zhao等基于混合潤滑損失模型,通過正交試驗?zāi)M了試驗臺結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)對動摩擦系數(shù)和磨損的交叉影響[16-17]。另一方面,學(xué)者發(fā)現(xiàn)環(huán)表明形性處理對摩擦性能具有較大影響。例如,Adjemout等利用激光開槽技術(shù)加工螺旋槽、球形、微窩型等織構(gòu)來減小摩擦副間的摩擦磨損[18-21]。盡管國內(nèi)外專家學(xué)者在多領(lǐng)域下對機(jī)械密封性能進(jìn)行了大量測試[22-24],但是都圍繞在恒定工況下的端面接觸行為和摩擦狀態(tài)演變規(guī)律分析,并未涉及變工況對摩擦副整體服役性能的探索,尤其是在速度與壓力補(bǔ)償機(jī)制下的機(jī)械密封領(lǐng)域更為缺乏。
因此,本文重點對工況周期波動下的機(jī)械密封摩擦副進(jìn)行測試研究?;跈C(jī)械密封PV試驗機(jī),對碳化硅(SSiC)與石墨(M106K)配副材料在工況周期波動與恒定工況下進(jìn)行實時摩擦系數(shù)變化規(guī)律、表面溫升速率以及形貌演變等試驗數(shù)據(jù)的比較分析。隨后,開展3種不同材質(zhì)摩擦副配對下的摩擦性能規(guī)律研究,試圖探尋深海推進(jìn)器在工況波動下摩擦學(xué)性能優(yōu)異的配副模式,為機(jī)械密封長壽命高可靠性提供依據(jù)。
本文采用MGF-2型機(jī)械密封PV試驗機(jī),如圖2所示。該試驗機(jī)由主軸,上、下試件夾具,上、下試件盒,加載裝置,轉(zhuǎn)動裝置、帶壓流體循環(huán)裝置,以及加熱與冷卻循環(huán)裝置等組成。該試驗機(jī)主要由傳動系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、帶壓流體循環(huán)系統(tǒng)以及測試系統(tǒng)組成。①傳動系統(tǒng):高速電機(jī)及主軸采用一體式結(jié)構(gòu),變頻調(diào)速三相異步交流電動機(jī)→同步帶和帶輪→主軸→動環(huán)(摩擦盤)。②加載系統(tǒng):試驗機(jī)采用彈簧加載系統(tǒng),實現(xiàn)試驗力的自動加載與卸載。③帶壓流體循環(huán)系統(tǒng):采用恒壓變量水泵系統(tǒng),實現(xiàn)自動控制試驗水循環(huán)的壓力及流量控制。④測試系統(tǒng):試驗過程中,數(shù)據(jù)采集在上試件和下試件安裝傳感器測量試驗機(jī)轉(zhuǎn)速與所施加載荷,將電信號進(jìn)行放大后轉(zhuǎn)換成物理信號并傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備。試驗中每秒采集一次數(shù)據(jù),并通過轉(zhuǎn)換器等設(shè)備來實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。由于摩擦系數(shù)無法通過傳感器直接測量,故試驗中通過直接測量摩擦扭矩,再由摩擦扭矩?fù)Q算出摩擦系數(shù)。
圖2 機(jī)械密封PV試驗機(jī)Fig.2 Mechanical seal PV testing machine
上試件通過上壓板和緊固螺釘裝在主軸中心螺孔;下試件安裝在專用下試件盒中,并用下壓板固定。機(jī)械密封在運(yùn)轉(zhuǎn)時動環(huán)旋轉(zhuǎn),靜環(huán)貼合動環(huán)保持靜止,在試驗臺裝置中,通過上試件(靜環(huán))加載,下試件(動環(huán))旋轉(zhuǎn),令上下試件形成面接觸下的旋轉(zhuǎn)摩擦,以此來模擬實際的機(jī)械密封動、靜環(huán)的運(yùn)行狀態(tài),并且在密封腔中通入帶壓流體,采用高強(qiáng)度可視化工程塑料制成,便于觀察泄漏情況和密封結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)情況,模擬機(jī)械密封在緩沖液下的真實運(yùn)行環(huán)境。另一方面,對載荷、轉(zhuǎn)速、溫度以及摩擦副配對材料等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和選擇,使模擬的工況變化范圍在機(jī)械密封PV試驗機(jī)最高載荷4 kN、最高轉(zhuǎn)速9 000 r/min、溫度0~80 ℃的參數(shù)范圍內(nèi)。
深海推進(jìn)器機(jī)械密封的常規(guī)密封配對材料為SSiC(無壓燒結(jié)碳化硅)與M106K(石墨)[25],但是由于機(jī)械密封服役環(huán)境存在工況周期波動,動環(huán)與靜環(huán)形成的摩擦副長期處于接觸式運(yùn)行,導(dǎo)致機(jī)械密封提前失效。
為探尋深海推進(jìn)器在工況波動下摩擦學(xué)性能優(yōu)異的配副模式,本次試驗采用3種配對方式:常規(guī)的SSiC-M106K(無壓燒結(jié)碳化硅與石墨);SSiC-WC(無壓燒結(jié)碳化硅與無壓燒結(jié)碳化硅);WC-SSiC(碳化鎢與無壓燒結(jié)碳化硅)。試件的結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示,試件的物性參數(shù)如表1所示。
圖3 機(jī)械密封試件尺寸及安裝圖Fig.3 Dimensions and installation drawing of mechanical seal test pieces
表1 材料物性參數(shù)表Table 1 Physical property parameters of materials
某型號深海推進(jìn)器的運(yùn)行參數(shù)[25]如表2所示,從表中可以發(fā)現(xiàn),航速在1~5 m/s波動,壓力在0.5~5.3 MPa波動,從而導(dǎo)致深海推進(jìn)器用機(jī)械密封服役環(huán)境為工況周期波動而并非恒定工況,工況在變化過程中,轉(zhuǎn)速和壓力都隨著時間發(fā)生改變,使流體膜一直波動,無法形成穩(wěn)定且有效的流體動壓膜,導(dǎo)致動、靜環(huán)產(chǎn)生接觸而失效。
深海推進(jìn)器采用內(nèi)裝平衡型非接觸式密封結(jié)構(gòu)[4],密封內(nèi)徑與外徑如表2所示,由于試驗臺運(yùn)行以載荷和轉(zhuǎn)速為控制對象,經(jīng)過式(1)和式(2)轉(zhuǎn)換,將深海推進(jìn)器壓力轉(zhuǎn)化為端面所承受載荷。同時,將航行速度轉(zhuǎn)化為主軸轉(zhuǎn)速,得到密封載荷范圍為0.2~2.1 kN、轉(zhuǎn)速范圍為1 000~2 000 r/min,樣件根據(jù)表2中密封結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行加工設(shè)計。
表2 某深海推進(jìn)器用機(jī)械密封運(yùn)行工況參數(shù)[25]Table 2 Operating parameters of mechanical seal for a deep-sea propeller
端面承受載荷為
(1)
(2)
本次試驗分為2組。
(1)試驗分組方案一:工況周期波動與定工況下常規(guī)材料SSiC-M106K摩擦副試驗。以SSiC-M106K為試驗對象,在工況周期波動下載荷0.2~2.1 kN、轉(zhuǎn)速1 000~2 000 r/min范圍內(nèi)和定工況參數(shù)為1 kN和2 000 r/min的條件下進(jìn)行模擬測試,測量實時摩擦系數(shù)和表面形貌等試驗數(shù)據(jù)。
(2)試驗分組方案二:不同材料的摩擦副配對試驗。以工況周期波動下SSiC-M106K、SSiC-WC和WC-SSiC為試驗對象,工況周期波動分別通過定速變載、定載變速和變載變速進(jìn)行模擬測試,測量實時摩擦系數(shù)和表面形貌等試驗數(shù)據(jù)。
2.2.1 定工況試驗流程
(1)在試驗機(jī)上輸入相關(guān)設(shè)定參數(shù),主要包括試驗組對材料編號,試驗件密封端面內(nèi)徑、外徑,試驗啟動轉(zhuǎn)速,根據(jù)深海推進(jìn)器平均航行時間接近1 h的工況條件,結(jié)合試驗臺設(shè)備以及試驗周期,設(shè)定密封環(huán)運(yùn)行時間為2.5 ks,并設(shè)定扭矩、溫度、最大加載力等。
(2)正確安裝試驗件,檢查密封環(huán)浮動性。
(3)預(yù)加載力50~80 N,使動靜環(huán)端面貼合后加載力調(diào)零,繼續(xù)加載至試驗要求值0.2 kN,進(jìn)行氣密性檢查。
(4)氣密性檢查合格后,將密封腔循環(huán)注入水,在200 r/min開始運(yùn)轉(zhuǎn)后手動加速至2 000 r/min,隨后自動增大加載力至2.1 kN,觀察摩擦扭矩、摩擦系數(shù)等。
2.2.2 工況周期波動試驗流程
(1)在試驗機(jī)上輸入相關(guān)設(shè)定參數(shù),主要包括試驗組對材料編號,試驗件密封端面內(nèi)徑、外徑,試驗啟動轉(zhuǎn)速,根據(jù)深海推進(jìn)器平均航行時間接近1 h的工況條件,結(jié)合試驗臺設(shè)備以及試驗周期,設(shè)定密封環(huán)運(yùn)行時間為2.5 ks,并設(shè)定扭矩、溫度、最大加載力等。
(2)正確安裝試驗件,檢查密封環(huán)浮動性。
(3)預(yù)加載力50~80 N,使動靜環(huán)端面貼合后加載力調(diào)零,繼續(xù)加載至試驗要求值0.2 kN,進(jìn)行氣密性檢查。
(4)定速變載試驗。氣密性檢查合格后,將密封腔循環(huán)注入水,在2 000 r/min開始運(yùn)轉(zhuǎn),隨后自動增大加載力至2.1 kN,并逐步自動降低加載力至0.2 kN,觀察摩擦扭矩、摩擦系數(shù)等。
(5)定載變速試驗。氣密性試驗合格后,將密封腔循環(huán)注入水,在1 000 r/min開始運(yùn)轉(zhuǎn),隨后自動提升速度至2 000 r/min,并逐漸手動降低轉(zhuǎn)速至1 000 r/min,觀察摩擦扭矩、摩擦系數(shù)等。
(6)變速變速試驗。氣密性試驗合格后,將密封腔循環(huán)注入水,在1 000 r/min開始運(yùn)轉(zhuǎn),隨后自動提升速度至2 000 r/min,同時自動增大加載力至2.1 kN,然后通過手動降低轉(zhuǎn)速至1 000 r/min,自動降低加載力至0.2 kN,觀察摩擦扭矩、摩擦系數(shù)等。
在相同的試驗環(huán)境下,對SSiC-M106K配對副分別進(jìn)行了加載加速和降載降速的工況變化,載荷在0.2~2.1 kN、轉(zhuǎn)速在1 000~2 000 r/min范圍內(nèi)的共同波動工況,以及載荷為1 kN、轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的恒定工況下的摩擦系數(shù)如圖4所示。在工況周期波動下,摩擦系數(shù)先波動上升,然后逐漸下降,最小達(dá)到了0.016。在定工況條件下,摩擦系數(shù)從啟動開始增加到0.137,然后保持穩(wěn)定,波動幅度越來越小,平均值為0.123。通過對比2種不同工況下的摩擦系數(shù),可以看到定工況下摩擦系數(shù)平穩(wěn)波動,工況周期波動在連續(xù)不穩(wěn)定環(huán)境中振蕩較大,極易對摩擦副表面造成損傷。
圖4 工況周期波動與定工況下SSiC-M106K配對副摩擦系數(shù) Fig.4 Friction coefficient of the SSiC-M106K pair under periodically fluctuating and constant conditions
對工況周期波動和定工況下的M106K進(jìn)行表面形貌和SEM表面磨損測試,如圖5和圖6所示。工況周期波動下的密封試件M106K的粗糙度由試驗初的0.026 μm增大到了1.08 μm,而定工況下的粗糙度由0.026 μm增大到了0.254 μm,說明工況周期波動下的摩擦副表面形貌較為惡劣。另一方面,通過電鏡圖分析發(fā)現(xiàn):工況周期波動下的M106K表面粗糙峰面已被磨平,表面呈現(xiàn)出明顯的磨損現(xiàn)象,主要為磨粒磨損,但是定工況下的M106K磨損程度輕微且痕跡淺。這是由于工況周期波動下的SSiC-M106K摩擦副出現(xiàn)波動,造成石墨表面出現(xiàn)磨粒并存儲在摩擦副界面,造成二次磨損,進(jìn)一步加劇摩擦表面磨損。因此,工況周期波動對摩擦副表面損傷的影響不可忽視。
(a)工況周期波動 (b)定工況圖5 工況周期波動與定工況下M106K表面形貌圖Fig.5 Surface morphology of M106K under periodically fluctuating and constant conditions
(a)工況周期波動 (b)定工況圖6 工況周期波動與定工況下M106K表面磨損圖Fig.6 Surface wear diagram of M106K under periodically fluctuating and constant conditions
3.2.1 工況周期波動下不同材料配對的摩擦系數(shù)以工況周期波動下SSiC-M106K、SSiC-WC和WC-SSiC為試驗對象,工況周期波動通過定速變載,定載變速和變載變速進(jìn)行模擬測試,如圖7所示。
(a)定速變載
(b)定載變速
(c)變載變速圖7 工況周期波動下不同材料配對摩擦系數(shù)變化規(guī)律Fig.7 Variation rule of friction coefficient of different materials under periodic fluctuations at working condition
如圖7a所示,當(dāng)轉(zhuǎn)速保持2 000 r/min,連續(xù)波動載荷0.2—2.1—0.2 kN時,SSiC-M106K配對副的摩擦系數(shù)0.109 9比SSiC-WC和WC-SiC配對副高出約10倍,其中SSiC-WC和WC-SiC配對副的摩擦系數(shù)先上升后降低并逐漸保持平穩(wěn),在載荷升至1.2 kN后上述2種配對的摩擦副長時間停留在0.01附近波動,而SSiC-WC配對副的摩擦系數(shù)隨著載荷波動都呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的趨勢,摩擦系數(shù)維持在0.012。這是由于因為屬于硬與軟接觸,SSiC-WC和WC-SiC端面間比SSiC-M106K更快地形成一層潤滑液膜,能在更短的時間內(nèi)對載荷波動做出調(diào)整,而且在SSiC-WC配對進(jìn)行摩擦試驗中WC自身硬度與強(qiáng)度都高于SSiC,更適宜承受高載荷。因此,SSiC-WC配對副在定速變載下的優(yōu)勢更大。
如圖7b所示,當(dāng)載荷穩(wěn)定在1 kN不變時,轉(zhuǎn)速從1 000 r/min增加至2 000 r/min后持續(xù)減小至1 000 r/min的波動情況下,SSiC-WC配對副的摩擦系數(shù)變化規(guī)律與SSiC-M106K的類似,但前者的摩擦系數(shù)變化區(qū)間在0.03~0.09之間,明顯低于后者,而WC-SiC配對副的摩擦系數(shù)表現(xiàn)為先緩慢上升后逐漸減小到0.1左右并維持穩(wěn)定狀態(tài),摩擦系數(shù)明顯高于SSiC-M106K和SSiC-WC。另一方面,通過比較轉(zhuǎn)速下降階段穩(wěn)定范圍內(nèi)的摩擦系數(shù)變化情況,SSiC-WC配對副的平均值為0.026 9,明顯低于其他2種配對方式。這是由于SSiC-WC摩擦副表面能快速形成液膜,導(dǎo)致其摩擦系數(shù)小于SSiC-M106K;與此同時,SSiC-WC中的SSiC為動試件(轉(zhuǎn)速),相比WC來說轉(zhuǎn)動慣量小,從而SSiC-WC在定載變速下的摩擦性能優(yōu)勢更大。
從圖7c中可以看出,當(dāng)載荷在0.2~2.1 kN和轉(zhuǎn)速在1 000~2 000 r/min范圍內(nèi)共同波動時,加速加載階段SSiC-M106K的摩擦系數(shù)一直在0.005~0.016范圍內(nèi)波動變化,而SSiC-WC、WC-SSiC配對副的摩擦系數(shù)都是先增加后急速減小至0.025。隨后,SSiC-WC的摩擦系數(shù)繼續(xù)緩慢下降,而WC-SSiC的摩擦系數(shù)則緩慢上升。這是由于WC在作為動環(huán)過程中剛度與慣性較大,導(dǎo)致摩擦副在接觸過程中存在明顯的摩擦振動;在降速降載時,SSiC-WC、WC-SSiC配對副都是先增加后減小,而SSiC-M106K保持穩(wěn)定下降。通過比較下降階段穩(wěn)定范圍內(nèi)的平均摩擦系數(shù),SSiC-M106K和SSiC-WC均為0.024,但WC-SiC為0.054。對比3種工況摩擦系數(shù)變化趨勢可以發(fā)現(xiàn),實際運(yùn)行中轉(zhuǎn)速對機(jī)械密封的影響程度占主導(dǎo),轉(zhuǎn)速的變化會減弱由于負(fù)載增大所引起的接觸摩擦。綜合來看,SSiC-WC配對副的摩擦學(xué)性能優(yōu)于其他2種。
3.2.2 工況周期波動與定工況下不同材料配對的表面磨損 針對工況周期波動下的不同摩擦副配對SSiC-M106K、SSiC-WC和WC-SSiC進(jìn)行了形貌測試,通過觀察材料的表面磨損形貌可知,動、靜環(huán)中的軟質(zhì)材料表面更易磨損。提取了SSiC-M106K中的M106K、SSiC-WC中的SSiC(標(biāo)記為SSiC-D)和WC-SSiC中的SSiC(標(biāo)記為SSiC-J)結(jié)果,如圖8所示,以及在表3中列出了上述3種材料的平均粗糙度。在工況周期波動下的定速變載、定載變速和變速變載下的SSiC-D粗糙度最小,表面形貌最平整,而M106K的粗糙度最大并且表面存在明顯的不平整,從而推斷出在工況周期波動下的機(jī)械密封摩擦副配對材料不適宜硬度較大的SSiC和自潤滑性較好的M106K配對,應(yīng)采用硬度和剛性均更好的SSiC與WC進(jìn)行配對,其中SSiC作為摩擦副配對中的動試件,具有更好的減摩增潤效果。
表3 試驗后密封試件表面平均粗糙度Table 3 Average surface roughness of the seal specimen after test
(a)定速變載
(b)定載變速
(c)變載變速圖8 工況周期波動下不同材料配對副的形貌圖Fig.8 Morphology of different material pairs under periodic fluctuation of working condition
針對工況周期波動后的不同摩擦副配對SSiC-M106K、SSiC-WC和WC-SSiC進(jìn)行了電鏡掃描,提取了SSiC-M106K中的M106K、SSiC-WC中的SSiC和WC-SSiC中的SSiC,結(jié)果如圖9所示。由圖9a可知,在定速變載下,SSiC-D的大部分表面磨損較輕,但M106K表面的磨損形式主要為磨粒磨損,沿微動方向出現(xiàn)了犁溝分布。這是因為M106K在運(yùn)行時產(chǎn)生的大量磨屑聚集,同時載荷不斷波動,造成二次磨粒磨損。SSiC-J的磨損程度介于SSiC-
(a)定速變載
(b)定載變速
(c)變載變速圖9 工況周期波動下不同材料配對副的表面磨損圖Fig.9 Surface wear diagrams of different material pairs under periodic fluctuation of working conditions
D與M106K之間。從圖9b中可知,在定載變速下的M106K表面磨損最為嚴(yán)重,其表面有磨損脫落后的浸漬物顆粒填充,這主要是因為M106K的自潤滑作用,在滑動接觸過程中磨料在石墨表面轉(zhuǎn)移,而SSiC-D與SSiC-J的磨損程度較為接近,都有一定的劃痕。從圖9c中可知,在變速變載下SSiC-D表面基本沒有劃痕,說明在轉(zhuǎn)速與載荷同時周期波動下,SSiC-WC的配對形成具有較為完整的液膜,并且動試件SSiC可以更好地保持穩(wěn)定。綜上所述,在3種工況周期波動下,M106K磨損都較為嚴(yán)重,主要由SSiC表面的切削效應(yīng)和表面的部分黏著磨損導(dǎo)致,而SSiC-D表面磨損較輕,從而證實了在工況周期波下,SSiC-WC的配對形式具有更好的摩擦學(xué)性能。
本文重點對工況周期波動下的機(jī)械密封摩擦副進(jìn)行測試研究,對無壓燒結(jié)碳化硅(SSiC)與石墨(M106K)配副材料在工況周期波動與恒定工況下的進(jìn)行對比試驗,進(jìn)而研究不同材質(zhì)摩擦副配對的摩擦性能規(guī)律,得到以下結(jié)論。
(1)SSiC-M106K在定工況下的摩擦系數(shù)較為平穩(wěn),在工況周期波動下的SSiC-M106K摩擦系數(shù)大幅振動。工況周期波動試驗后的M106K表面粗糙峰面已被磨平,表面呈現(xiàn)出明顯的磨粒二次磨損現(xiàn)象。
(2)在實際運(yùn)行中轉(zhuǎn)速對機(jī)械密封的影響程度占主導(dǎo),轉(zhuǎn)速的變化會減弱由于負(fù)載增大所引起的接觸摩擦。
(3)在工況周期波動下的機(jī)械密封摩擦副配對材料不適宜硬度較大的SSiC和自潤滑性較好的M106K配對,應(yīng)采用硬度和剛性均更好的SSiC與WC進(jìn)行配對,其中SSiC作為摩擦副配對中的動試件,具有更好的減摩增潤效果。