螺旋槽干氣密封環(huán)端面摩擦試驗及其性能分析

丁雪興，王平西，張偉政，俞樹榮，魏龍

（1蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2南京科技職業(yè)學(xué)院江蘇省流體密封與測控工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 南京 210048）

螺旋槽干氣密封環(huán)端面摩擦試驗及其性能分析

丁雪興1，王平西1，張偉政1，俞樹榮1，魏龍2

（1蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2南京科技職業(yè)學(xué)院江蘇省流體密封與測控工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 南京 210048）

干氣密封環(huán)端面在啟停階段和由于制造裝配誤差等造成非正常運行時存在嚴重的端面接觸摩擦，有必要對干氣密封動靜環(huán)進行摩擦學(xué)試驗，從而分析并探討其摩擦學(xué)特性。利用端面摩擦磨損試驗機，選定合適的工況參數(shù)與相應(yīng)的測試技術(shù)對螺旋槽干氣密封環(huán)進行測試，研究不同工況下的摩擦學(xué)特性。結(jié)果表明：在特定工況下的試驗中，螺旋槽干氣密封端面存在明顯的磨合現(xiàn)象；當工況從226 N、150 r·min?1增大至1130 N、500 r·min?1時，石墨環(huán)磨損量最大增加193.3%，摩擦系數(shù)最大降低22.3%，說明石墨環(huán)的自潤滑性影響密封端面的摩擦性能；由于端面間螺旋槽的存在，石墨環(huán)內(nèi)圈磨損大于外圈。試驗結(jié)果可為今后端面摩擦學(xué)性能的優(yōu)化提供依據(jù)。

干氣密封；螺旋槽；摩擦學(xué)試驗；摩擦學(xué)特性；自潤滑性

引 言

干氣密封是一種先進的旋轉(zhuǎn)軸用動密封，具有性能可靠、使用壽命長、功耗低、維護成本低等優(yōu)點，而且能夠在高溫、高壓、高速以及各種強腐蝕性介質(zhì)等苛刻工況下可靠運行[1-2]。干氣密封常用于軸端密封危險的液體或氣體，而且干氣密封在大多數(shù)工藝環(huán)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用，一旦失效，將會對生產(chǎn)造成很大的影響并帶來嚴重的經(jīng)濟損失[3-6]，所以對干氣密封的密封性能、穩(wěn)定性及壽命等都有較高的要求。關(guān)于干氣密封穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性研究較多[7-10]。近年來，干氣密封端面間的摩擦磨損逐漸受到人們的重視。梁春陽等[11]與王澤平等[12]通過實例分析指出了由于密封氣中含有雜質(zhì)以及設(shè)計缺陷引起密封端面磨損造成密封泄漏失效。高志等[13]和Huang等[14]通過聲發(fā)射技術(shù)對干氣密封啟動階段端面的接觸狀態(tài)和摩擦情況進行了測試分析。

理論上講，干氣密封只有在啟停階段兩端面才會出現(xiàn)接觸摩擦[15]，但在實際工況中，由于加工制造的誤差[16]和工作環(huán)境[17]的影響，干氣密封端面在正常的運行階段也會發(fā)生接觸摩擦的情況，而且因為干氣密封的端面處于無任何潤滑的干摩擦狀態(tài)和經(jīng)常在高壓高轉(zhuǎn)速下運行的緣故，摩擦磨損給干氣密封帶來的危害不容忽視。現(xiàn)階段的研究多是指出摩擦磨損對干氣密封的危害和研究的重要性或是一些基礎(chǔ)性的相關(guān)理論研究[18-21]，缺少對干氣密封端面摩擦磨損的普遍規(guī)律的研究。本工作以干氣密封的實際工況出發(fā)，在端面摩擦磨損試驗機上對螺旋槽干氣密封端面的摩擦學(xué)性能進行試驗研究，通過在特定工況下端面間的磨合試驗以及不同轉(zhuǎn)速、不同載荷下的摩擦學(xué)試驗研究和探索螺旋槽干氣密封環(huán)之間的摩擦學(xué)機理及工況參數(shù)對其摩擦學(xué)性能的影響，為進一步的端面摩擦學(xué)性能的優(yōu)化以及理論分析提供參考。

1 試驗設(shè)備及試驗方法

1.1 試驗設(shè)備與試件

本研究采用的試驗機為HDM-2型端面摩擦磨損試驗機，由主機和計算機測控系統(tǒng)2部分組成，其外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 端面摩擦磨損試驗機Fig.1 Friction and wear tester

試驗機采用自動加載、半自動加載和手動加載3種載荷控制方式，通過變頻器實現(xiàn)無級調(diào)速，并通過計算機和試驗數(shù)據(jù)處理專用軟件對載荷、轉(zhuǎn)速、試驗溫度、摩擦力、摩擦因數(shù)等試驗參數(shù)進行實時采集和處理，以數(shù)據(jù)圖表形式給出統(tǒng)計試驗結(jié)果。試驗機采用上試件旋轉(zhuǎn)、下試件靜止的端面接觸滑動摩擦形式。試驗機主要技術(shù)指標見表 1。此外，此次研究還用到了丙酮超聲清洗機、烘干機、電子天平（精度 0.1 mg）、三維輪廓儀、電子顯微鏡等儀器分別對磨損量、表面粗糙度、磨損形貌進行測量，另外還有激光打標機對試件表面進行激光刻槽。

本研究采用的樣品環(huán)為干氣密封常用的“軟碰硬”結(jié)構(gòu)，樣品的結(jié)構(gòu)及裝配如圖2所示，其中上試件為石墨環(huán)，下試件為碳化硅（SiC）環(huán)。首先將整塊原材料機加工至所需形狀，再用拋光機進行鏡面拋光，使其接觸面表面粗糙度達到實際生產(chǎn)的要求（Ra＜0.4），表2給出了試件的粗糙度。隨后對SiC環(huán)用打標機進行激光刻槽，本研究選取干氣密封常用的16°螺旋角，槽深10 μm，槽型參數(shù)及SiC環(huán)表面結(jié)構(gòu)如圖3所示?？滩弁戤吅髮Σ蹍^(qū)和壩區(qū)間螺旋線進行精細打磨使其平整。

表1 試驗機主要技術(shù)指標Table 1 Main technical parameters of machine

表2 環(huán)表面粗糙度Table 2 Surface roughness of rings

圖2 試件安裝示意圖Fig.2 Diagram of specimen assemble

圖3 SiC環(huán)表面結(jié)構(gòu)Fig.3 SiC ring surface structure

1.2 試驗工況參數(shù)與試驗方法

本次研究所選的工況參數(shù)見表 3，其中名義接觸面積是端面接觸的環(huán)面積減去螺旋槽部分的面積計算所得。試驗工況參數(shù)以摩擦磨損最為嚴重的開啟階段為基礎(chǔ)選取，根據(jù)前期研究工作查閱的資料以及密封廠提供的經(jīng)驗值和試驗的實際條件與環(huán)的大小確定端面間的比壓為0.1～0.8 MPa、開啟線速度為0.6～1.2 m·s?1，根據(jù)試驗機的加載情況分別選取3個試驗載荷與轉(zhuǎn)速。端面間為干摩擦。

表 3 試驗工況參數(shù)Table 3 Test conditions

此次試驗分為兩部分。

（1）特定工況下端面磨合試驗。選擇Ⅰ號石墨環(huán)，選取轉(zhuǎn)速300 r·min?1、載荷678 N，在試驗機上進行試驗，以10 min為一個階段停機測量相關(guān)試驗參數(shù)。每次取試件時，對試件的安裝位置以及試件的配合位置進行標記，試驗參數(shù)測量完成后按照標記重新安裝試件進行試驗。共進行4個階段的相同試驗，總時長40 min。

（2）工況參數(shù)對端面摩擦磨損的影響。同樣將Ⅱ號、Ⅲ號石墨環(huán)進行磨合（磨合后的粗糙度分別為 0.139、0.135、0.136），將磨合后的試件在表 3中3組不同的載荷與轉(zhuǎn)速下交叉試驗，每組載荷下用同一個石墨環(huán)，每次試驗時長為10 min，測量相關(guān)試驗參數(shù)。共進行9組試驗。

試驗前首先對試件進行清洗烘干稱重，然后安裝試件調(diào)試摩擦機，設(shè)定試驗時間、施加載荷與轉(zhuǎn)速，進行試驗。待停機后讀取摩擦系數(shù)、溫度等試驗參數(shù)，取出試件進行清洗烘干稱重，計算并記錄磨損量，隨后用三維輪廓儀測量表面形貌參數(shù)和粗糙度，并在電鏡下觀測讀取表面磨損形貌。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 特定工況下端面磨合的摩擦學(xué)特性分析

圖4分別給出了在300 r·min?1、226 N試驗工況下磨合過程中磨損量、摩擦溫升、摩擦系數(shù)和石墨環(huán)粗糙度的變化情況。可以看出，刻有螺旋槽的端面接觸摩擦過程存在明顯的磨合過程，而且隨磨合進行摩擦系數(shù)、磨損量、摩擦溫升等摩擦學(xué)特性參數(shù)均呈下降趨勢，這說明在磨合過程中端面的摩擦學(xué)性能有所提升。

通過圖4(d)可以看出磨合過程中石墨環(huán)的表面粗糙度逐漸減小，這是由于SiC環(huán)硬度大于石墨環(huán)且粗糙度小于石墨環(huán)，在磨合過程中硬度低且相對較粗糙的石墨環(huán)變得越來越平整，粗糙度逐漸降低，使其摩擦學(xué)性能有所提升，從而降低端面間的磨損。

下面分析摩擦系數(shù)即時變化情況。圖5中1、2兩條線分別表示第1階段（0～10 min）和第3階段（20～30 min）磨合試驗?zāi)Σ料禂?shù)的即時變化圖。從圖中可以看出，在第1階段，磨合剛剛開始，端面間的摩擦表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，摩擦系數(shù)較大且波動較大；在第3階段，摩擦系數(shù)降低，趨于平穩(wěn)，表現(xiàn)出良好的摩擦學(xué)穩(wěn)定性，這進一步說明磨合過程端面的摩擦學(xué)特性有顯著的提升。在不同的工況下磨合時間的長短會有所變化，但其變化趨勢大致相同，存在普遍性的規(guī)律。

2.2 工況參數(shù)對干氣密封端面摩擦磨損的影響

前面分析了螺旋槽干氣密封環(huán)在特定工況下的摩擦學(xué)特性，接下來考察不同的工況參數(shù)對端面摩擦學(xué)特性的影響。圖6為不同的轉(zhuǎn)速與載荷下摩擦系數(shù)、磨損量、摩擦溫升隨工況參數(shù)的變化情況。

圖4 磨合試驗結(jié)果統(tǒng)計Fig.4 Running-in test results

圖5 第1、3階段摩擦系數(shù)即時變化Fig.5 Actual time friction coefficient of the first and third phase

2.2.1 載荷的影響 首先考察載荷對摩擦磨損的影響。通過圖6(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)，當轉(zhuǎn)速不變、載荷由226 N增大到1130 N時，150、300、500 r·min?1下摩擦系數(shù)分別降低了6.8%、14.3%、22.3%，而磨損量分別增加了 127.3%、168%、193.3%，通過圖6(c)可以發(fā)現(xiàn)摩擦溫升也隨載荷增大而增大。這是由于載荷增大后端面間的磨損加劇，磨損量增大，磨粒增多，而磨粒的主要成分為潤滑性能良好的石墨，因此磨粒充當了接觸面間的潤滑劑，使摩擦系數(shù)降低，這也是石墨環(huán)自潤滑性的體現(xiàn)。

圖7給出了在300 r·min?1時不同載荷下摩擦系數(shù)的動態(tài)變化情況。可以看出，載荷為226 N時，摩擦系數(shù)基本保持平穩(wěn)的趨勢；載荷為678 N時，摩擦系數(shù)先增大，后平穩(wěn)降低并趨于穩(wěn)定。這是因為低載荷下磨損量較小，石墨環(huán)的自潤滑性能沒有很好地體現(xiàn)；載荷增大后，磨損加劇，當磨粒增加到一定程度時其潤滑性能發(fā)揮作用，使摩擦系數(shù)下降并趨于穩(wěn)定。而當載荷增大到1130 N時，磨損更加劇烈，磨損量增加更快，摩擦系數(shù)經(jīng)過一段較大的波動后趨于穩(wěn)定。這是因為短時間內(nèi)增加的磨粒沒能很好地在端面均勻分布，所以造成摩擦系數(shù)的波動，而當運行一段時間后磨粒分布得更加均勻，摩擦系數(shù)也更加平穩(wěn)。當轉(zhuǎn)速為150 r·min?1和500 r·min?1時，情況類似。

圖6 不同工況參數(shù)下試驗結(jié)果統(tǒng)計Fig.6 Test results under different test conditions

圖7 300 r·min?1不同載荷下摩擦系數(shù)即時變化Fig.7 Actual time friction coefficient under 300 r·min?1and different pressure load

2.2.2 轉(zhuǎn)速的影響 繼續(xù)分析轉(zhuǎn)速對摩擦磨損的影響。由圖6(a)可以看出，載荷為226 N時，摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加而增大了6.4%；而當載荷增大到678 N和1130 N時，摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加分別降低了13.3%和11.4%。由圖6(b)、(c)可知，當載荷不變、轉(zhuǎn)速由150 r·min?1增加到500 r·min?1時，226 N、678 N、1130 N下磨損量分別增大了36.4%、62.9%、76%，溫升也隨轉(zhuǎn)速增加而增大。由此可知，摩擦系數(shù)和轉(zhuǎn)速的關(guān)系主要是由磨損產(chǎn)生的磨粒體現(xiàn)出石墨環(huán)的自潤滑性造成的。載荷為226 N時，不同轉(zhuǎn)速下的磨損量均較小，對摩擦系數(shù)的影響較??；載荷增大到678 N和1130 N時，磨損加劇，而且轉(zhuǎn)速越高產(chǎn)生的磨粒越多，故摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大而減小。

下面對不同轉(zhuǎn)速下摩擦系數(shù)的即時變化情況進行分析。圖8所示為載荷為678 N時不同轉(zhuǎn)速下摩擦系數(shù)的動態(tài)變化圖。在每組試驗的初期階段，3種轉(zhuǎn)速下摩擦系數(shù)的大小相似。隨著摩擦磨損的進行，150 r·min?1轉(zhuǎn)速下摩擦系數(shù)變化較小且穩(wěn)定在一定的數(shù)值左右，但是摩擦系數(shù)振動的頻率和振幅較大；當轉(zhuǎn)速增大到 300 r·min?1和500 r·min?1時，摩擦系數(shù)均在一定的時間內(nèi)降低且趨于平穩(wěn)，摩擦振動也減弱。這是由于低轉(zhuǎn)速下磨損量較小，端面間的接觸狀態(tài)基本沒有發(fā)生改變，摩擦系數(shù)變化較小，而且由于是干摩擦的緣故，摩擦振動較大；而當轉(zhuǎn)速增大時，磨損加快，產(chǎn)生了較多的石墨磨粒，使端面間的潤滑性能得到提升，導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低。當載荷為1130 N時不同轉(zhuǎn)速下的變化情況相似。

圖8 678 N不同轉(zhuǎn)速下摩擦系數(shù)即時變化Fig.8 Actual time friction coefficient under 678 N and different revolving speed

綜上分析，載荷與轉(zhuǎn)速都會影響螺旋槽密封端面的摩擦磨損，而且由于石墨環(huán)自潤滑性的作用，往往高的轉(zhuǎn)速與載荷下摩擦系數(shù)更小。在干氣密封的實際運行中，磨損產(chǎn)生的石墨磨粒會黏附在端面上充當潤滑劑的作用，從而提升端面的摩擦性能，減小摩擦系數(shù)，降低磨損。

2.3 磨損表面形貌的分析

將試驗結(jié)束后的石墨環(huán)進行表面形貌的測量。如圖9所示，在石墨環(huán)表面選取3個點，在每個點的徑向分別對內(nèi)圈和外圈用電鏡對其測量，即石墨環(huán)分別與槽區(qū)和壩區(qū)接觸部分的磨損形貌。選取 300 r·min?1、678 N工況參數(shù)下的測量結(jié)果進行分析。

圖9 石墨環(huán)表面測量點Fig.9 Measurement points on graphite ring surface

測量結(jié)果如圖 10所示?？梢钥闯觯h(huán)內(nèi)圈的磨痕數(shù)量明顯多于外圈，內(nèi)圈的磨損比外圈更嚴重。一般來講，由于外圈的線速度較大，外圈的磨損大于內(nèi)圈，但本次試驗得到的結(jié)果卻與這一理論相反，這是由于螺旋槽端面的接觸方式造成的結(jié)果。由圖3所示SiC環(huán)表面螺旋槽結(jié)構(gòu)可知，由于螺旋槽的存在，內(nèi)圈的接觸面積大于外圈，使內(nèi)圈的磨損較嚴重；而且，螺旋槽會儲存部分磨粒，減小外圈的磨粒磨損，這樣就使內(nèi)圈的磨損大于外圈，磨痕也較外圈更多，這與表面織構(gòu)在端面摩擦磨損中所起的減磨作用相似[22]。

圖10 石墨環(huán)磨損表面形貌Fig.10 Wear surface morphology of graphite ring

3 結(jié) 論

（1）螺旋槽干氣密封環(huán)端面間存在明顯的磨合現(xiàn)象，而且隨著磨合的進行，摩擦系數(shù)降低，磨損量和摩擦溫升均減小。

（2）高的轉(zhuǎn)速與載荷下，密封環(huán)端面的摩擦系數(shù)更低，表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)特性，這說明螺旋槽干氣密封適合在高參數(shù)工況下運行。

（3）由于螺旋槽的影響，干氣密封環(huán)內(nèi)圈的接觸面積大于外圈，而且螺旋槽可以收集存儲部分磨粒減少磨損，使得石墨環(huán)端面內(nèi)圈的磨損比外圈嚴重，這與兩光滑表面接觸摩擦的結(jié)論相反。

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Analysis of tribological test and performance under rings end faces of spiral groove dry gas seal

DING Xuexing1, WANG Pingxi1, ZHANG Weizheng1, YU Shurong1,WEI Long2
(1College of Petrochemical Industry, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, Gansu, China;2Fluid Sealing Measurement and Control Engineering Research and Development Center of Jiangsu Province, Nanjing Polytechnic Institute, Nanjing 210048, Jiangsu, China)

There is a serious face contact friction on dry gas seal ring face when it is in the start-up phase and abnormal operation, therefore, to analyze and discuss the tribology performance, the tribological test is necessary for dry gas seal dynamic and static ring. The dynamic and static spiral groove dry gas seal ring was tested to study the tribology performance under different operating mode by using the friction and wear tester with selected reasonable test conditions and the corresponding testing technology. The results of the test indicated that there was the obvious running-in phenomenon for spiral groove dry gas seal face in the special condition test. Moreover, the tribology performance of the face was changed with the test. Besides, when the rotational speed and load increased from 150 r·min?1and 226 N to 500 r·min?1and 1130 N, the wear mass loss of graphite ring was increased by 193.3% but the friction coefficient was decreased 22.3%. This showed that the self-lubrication of graphite ring affected the friction state of the seal face. Because the spiral groove end face contact was different from the smooth surface, the inner ring was more wear than outer ring of the graphite ring. The test results provided a basis for tribological performance optimization of the spiral groove dry gas seal face.

dry gas seal; spiral groove; tribology test; tribology performance; self-lubrication

WANG Pingxi, wangpx28@163.com

TH 117.1

：A

：0438—1157（2017）01—0208—07

10.11949/j.issn.0438-1157.20160891

2016-06-29收到初稿，2016-08-29收到修改稿。

聯(lián)系人：王平西。

：丁雪興（1964—），男，博士，教授。

Received date: 2016-06-29.