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(guó)科學(xué)院海洋材料及相關(guān)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,315201,浙江寧波)

深海推進(jìn)器是我國(guó)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略性裝置[1],對(duì)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(shí)會(huì)連續(xù)下潛、上浮,海水壓力以及航行速度都會(huì)對(duì)深海推進(jìn)器密封性能影響較大,使其壓力和轉(zhuǎn)速都會(huì)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(lái)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(dòng),使得深海推進(jìn)器機(jī)械密封處于端面比壓波動(dòng)和主軸轉(zhuǎn)速波動(dòng)的服役環(huán)境中,容易造成動(dòng)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(wú)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(duì)機(jī)械密封端面摩擦問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外專家做了大量實(shí)驗(yàn)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(guò)端面溫度變化規(guī)律來(lái)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(duì)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(huì)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(guò)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(yàn)測(cè)得的溫度、扭矩、摩擦狀態(tài)等動(dòng)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(rùn)滑損失模型,通過(guò)正交試驗(yàn)?zāi)M了試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)對(duì)動(dòng)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(duì)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(lái)減小摩擦副間的摩擦磨損[18-21]。盡管國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在多領(lǐng)域下對(duì)機(jī)械密封性能進(jìn)行了大量測(cè)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(duì)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(diǎn)對(duì)工況周期波動(dòng)下的機(jī)械密封摩擦副進(jìn)行測(cè)試研究?；跈C(jī)械密封PV試驗(yàn)機(jī),對(duì)碳化硅(SSiC)與石墨(M106K)配副材料在工況周期波動(dòng)與恒定工況下進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yàn)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(duì)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(dòng)下摩擦學(xué)性能優(yōu)異的配副模式,為機(jī)械密封長(zhǎng)壽命高可靠性提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置與樣件

1.1 機(jī)械密封PV試驗(yàn)機(jī)概述

本文采用MGF-2型機(jī)械密封PV試驗(yàn)機(jī),如圖2所示。該試驗(yàn)機(jī)由主軸,上、下試件夾具,上、下試件盒,加載裝置,轉(zhuǎn)動(dòng)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(yàn)機(jī)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、帶壓流體循環(huán)系統(tǒng)以及測(cè)試系統(tǒng)組成。①傳動(dòng)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(dòng)機(jī)→同步帶和帶輪→主軸→動(dòng)環(huán)(摩擦盤)。②加載系統(tǒng):試驗(yàn)機(jī)采用彈簧加載系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)力的自動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制試驗(yàn)水循環(huán)的壓力及流量控制。④測(cè)試系統(tǒng):試驗(yàn)過(guò)程中,數(shù)據(jù)采集在上試件和下試件安裝傳感器測(cè)量試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速與所施加載荷,將電信號(hào)進(jìn)行放大后轉(zhuǎn)換成物理信號(hào)并傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備。試驗(yàn)中每秒采集一次數(shù)據(jù),并通過(guò)轉(zhuǎn)換器等設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。由于摩擦系數(shù)無(wú)法通過(guò)傳感器直接測(cè)量,故試驗(yàn)中通過(guò)直接測(cè)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(yàn)機(jī)Fig.2 Mechanical seal PV testing machine

上試件通過(guò)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(shí)動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn),靜環(huán)貼合動(dòng)環(huán)保持靜止,在試驗(yàn)臺(tái)裝置中,通過(guò)上試件(靜環(huán))加載,下試件(動(dòng)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(lái)模擬實(shí)際的機(jī)械密封動(dòng)、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(shí)運(yùn)行環(huán)境。另一方面,對(duì)載荷、轉(zhuǎn)速、溫度以及摩擦副配對(duì)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(yàn)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)。

1.2 試驗(yàn)樣件

深海推進(jìn)器機(jī)械密封的常規(guī)密封配對(duì)材料為SSiC(無(wú)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(dòng),動(dòng)環(huán)與靜環(huán)形成的摩擦副長(zhǎng)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(dòng)下摩擦學(xué)性能優(yōu)異的配副模式,本次試驗(yàn)采用3種配對(duì)方式:常規(guī)的SSiC-M106K(無(wú)壓燒結(jié)碳化硅與石墨);SSiC-WC(無(wú)壓燒結(jié)碳化硅與無(wú)壓燒結(jié)碳化硅);WC-SSiC(碳化鎢與無(wú)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

2 試驗(yàn)方案與流程

2.1 試驗(yàn)方案

某型號(hào)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(dòng),壓力在0.5～5.3 MPa波動(dòng),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(dòng)而并非恒定工況,工況在變化過(guò)程中,轉(zhuǎn)速和壓力都隨著時(shí)間發(fā)生改變,使流體膜一直波動(dòng),無(wú)法形成穩(wěn)定且有效的流體動(dòng)壓膜,導(dǎo)致動(dòng)、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(yàn)臺(tái)運(yùn)行以載荷和轉(zhuǎn)速為控制對(duì)象,經(jīng)過(guò)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(shí),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(jì)。

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(yàn)分為2組。

(1)試驗(yàn)分組方案一:工況周期波動(dòng)與定工況下常規(guī)材料SSiC-M106K摩擦副試驗(yàn)。以SSiC-M106K為試驗(yàn)對(duì)象,在工況周期波動(dòng)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(cè)試,測(cè)量實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)和表面形貌等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(2)試驗(yàn)分組方案二:不同材料的摩擦副配對(duì)試驗(yàn)。以工況周期波動(dòng)下SSiC-M106K、SSiC-WC和WC-SSiC為試驗(yàn)對(duì)象,工況周期波動(dòng)分別通過(guò)定速變載、定載變速和變載變速進(jìn)行模擬測(cè)試,測(cè)量實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)和表面形貌等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)流程

2.2.1 定工況試驗(yàn)流程

(1)在試驗(yàn)機(jī)上輸入相關(guān)設(shè)定參數(shù),主要包括試驗(yàn)組對(duì)材料編號(hào),試驗(yàn)件密封端面內(nèi)徑、外徑,試驗(yàn)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速,根據(jù)深海推進(jìn)器平均航行時(shí)間接近1 h的工況條件,結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備以及試驗(yàn)周期,設(shè)定密封環(huán)運(yùn)行時(shí)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(yàn)件,檢查密封環(huán)浮動(dòng)性。

(3)預(yù)加載力50～80 N,使動(dòng)靜環(huán)端面貼合后加載力調(diào)零,繼續(xù)加載至試驗(yàn)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(dòng)加速至2 000 r/min,隨后自動(dòng)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(dòng)試驗(yàn)流程

(1)在試驗(yàn)機(jī)上輸入相關(guān)設(shè)定參數(shù),主要包括試驗(yàn)組對(duì)材料編號(hào),試驗(yàn)件密封端面內(nèi)徑、外徑,試驗(yàn)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速,根據(jù)深海推進(jìn)器平均航行時(shí)間接近1 h的工況條件,結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)設(shè)備以及試驗(yàn)周期,設(shè)定密封環(huán)運(yùn)行時(shí)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(yàn)件,檢查密封環(huán)浮動(dòng)性。

(3)預(yù)加載力50～80 N,使動(dòng)靜環(huán)端面貼合后加載力調(diào)零,繼續(xù)加載至試驗(yàn)要求值0.2 kN,進(jìn)行氣密性檢查。

(4)定速變載試驗(yàn)。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(dòng)增大加載力至2.1 kN,并逐步自動(dòng)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(yàn)。氣密性試驗(yàn)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(dòng)提升速度至2 000 r/min,并逐漸手動(dòng)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(yàn)。氣密性試驗(yàn)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(dòng)提升速度至2 000 r/min,同時(shí)自動(dòng)增大加載力至2.1 kN,然后通過(guò)手動(dòng)降低轉(zhuǎn)速至1 000 r/min,自動(dòng)降低加載力至0.2 kN,觀察摩擦扭矩、摩擦系數(shù)等。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 工況周期波動(dòng)與定工況下SSiC-M106K摩擦系數(shù)

在相同的試驗(yàn)環(huán)境下,對(duì)SSiC-M106K配對(duì)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(dòng)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(dòng)下,摩擦系數(shù)先波動(dòng)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(dòng)開始增加到0.137,然后保持穩(wěn)定,波動(dòng)幅度越來(lái)越小,平均值為0.123。通過(guò)對(duì)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(dòng),工況周期波動(dòng)在連續(xù)不穩(wěn)定環(huán)境中振蕩較大,極易對(duì)摩擦副表面造成損傷。

圖4 工況周期波動(dòng)與定工況下SSiC-M106K配對(duì)副摩擦系數(shù) Fig.4 Friction coefficient of the SSiC-M106K pair under periodically fluctuating and constant conditions

對(duì)工況周期波動(dòng)和定工況下的M106K進(jìn)行表面形貌和SEM表面磨損測(cè)試,如圖5和圖6所示。工況周期波動(dòng)下的密封試件M106K的粗糙度由試驗(yàn)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(shuō)明工況周期波動(dòng)下的摩擦副表面形貌較為惡劣。另一方面,通過(guò)電鏡圖分析發(fā)現(xiàn):工況周期波動(dòng)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(dòng)下的SSiC-M106K摩擦副出現(xiàn)波動(dòng),造成石墨表面出現(xiàn)磨粒并存儲(chǔ)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(dòng)對(duì)摩擦副表面損傷的影響不可忽視。

(a)工況周期波動(dòng) (b)定工況圖5 工況周期波動(dòng)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(dòng) (b)定工況圖6 工況周期波動(dòng)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 工況周期波動(dòng)下不同材料配對(duì)的摩擦副試驗(yàn)

3.2.1 工況周期波動(dòng)下不同材料配對(duì)的摩擦系數(shù)以工況周期波動(dòng)下SSiC-M106K、SSiC-WC和WC-SSiC為試驗(yàn)對(duì)象,工況周期波動(dòng)通過(guò)定速變載,定載變速和變載變速進(jìn)行模擬測(cè)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(dòng)下不同材料配對(duì)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(dòng)載荷0.2—2.1—0.2 kN時(shí),SSiC-M106K配對(duì)副的摩擦系數(shù)0.109 9比SSiC-WC和WC-SiC配對(duì)副高出約10倍,其中SSiC-WC和WC-SiC配對(duì)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(duì)的摩擦副長(zhǎng)時(shí)間停留在0.01附近波動(dòng),而SSiC-WC配對(duì)副的摩擦系數(shù)隨著載荷波動(dòng)都呈現(xiàn)出較為穩(wěn)定的趨勢(shì),摩擦系數(shù)維持在0.012。這是由于因?yàn)閷儆谟才c軟接觸,SSiC-WC和WC-SiC端面間比SSiC-M106K更快地形成一層潤(rùn)滑液膜,能在更短的時(shí)間內(nèi)對(duì)載荷波動(dòng)做出調(diào)整,而且在SSiC-WC配對(duì)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)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(duì)副在定速變載下的優(yōu)勢(shì)更大。

如圖7b所示,當(dāng)載荷穩(wěn)定在1 kN不變時(shí),轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min增加至2 000 r/min后持續(xù)減小至1 000 r/min的波動(dòng)情況下,SSiC-WC配對(duì)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(duì)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(guò)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(duì)副的平均值為0.026 9,明顯低于其他2種配對(duì)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(shí),SSiC-WC中的SSiC為動(dòng)試件(轉(zhuǎn)速),相比WC來(lái)說(shuō)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小,從而SSiC-WC在定載變速下的摩擦性能優(yōu)勢(shì)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(dòng)時(shí),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(dòng)變化,而SSiC-WC、WC-SSiC配對(duì)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(dòng)環(huán)過(guò)程中剛度與慣性較大,導(dǎo)致摩擦副在接觸過(guò)程中存在明顯的摩擦振動(dòng);在降速降載時(shí),SSiC-WC、WC-SSiC配對(duì)副都是先增加后減小,而SSiC-M106K保持穩(wěn)定下降。通過(guò)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(duì)比3種工況摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn),實(shí)際運(yùn)行中轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)械密封的影響程度占主導(dǎo),轉(zhuǎn)速的變化會(huì)減弱由于負(fù)載增大所引起的接觸摩擦。綜合來(lái)看,SSiC-WC配對(duì)副的摩擦學(xué)性能優(yōu)于其他2種。

3.2.2 工況周期波動(dòng)與定工況下不同材料配對(duì)的表面磨損 針對(duì)工況周期波動(dòng)下的不同摩擦副配對(duì)SSiC-M106K、SSiC-WC和WC-SSiC進(jìn)行了形貌測(cè)試,通過(guò)觀察材料的表面磨損形貌可知,動(dòng)、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(dòng)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(dòng)下的機(jī)械密封摩擦副配對(duì)材料不適宜硬度較大的SSiC和自潤(rùn)滑性較好的M106K配對(duì),應(yīng)采用硬度和剛性均更好的SSiC與WC進(jìn)行配對(duì),其中SSiC作為摩擦副配對(duì)中的動(dòng)試件,具有更好的減摩增潤(rùn)效果。

表3 試驗(yàn)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(dòng)下不同材料配對(duì)副的形貌圖Fig.8 Morphology of different material pairs under periodic fluctuation of working condition

針對(duì)工況周期波動(dòng)后的不同摩擦副配對(duì)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(dòng)方向出現(xiàn)了犁溝分布。這是因?yàn)镸106K在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的大量磨屑聚集,同時(shí)載荷不斷波動(dòng),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(dòng)下不同材料配對(duì)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?yàn)镸106K的自潤(rùn)滑作用,在滑動(dòng)接觸過(guò)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(shuō)明在轉(zhuǎn)速與載荷同時(shí)周期波動(dòng)下,SSiC-WC的配對(duì)形成具有較為完整的液膜,并且動(dòng)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(dòng)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(shí)了在工況周期波下,SSiC-WC的配對(duì)形式具有更好的摩擦學(xué)性能。

4 結(jié) 論

本文重點(diǎn)對(duì)工況周期波動(dòng)下的機(jī)械密封摩擦副進(jìn)行測(cè)試研究,對(duì)無(wú)壓燒結(jié)碳化硅(SSiC)與石墨(M106K)配副材料在工況周期波動(dòng)與恒定工況下的進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),進(jìn)而研究不同材質(zhì)摩擦副配對(duì)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(dòng)下的SSiC-M106K摩擦系數(shù)大幅振動(dòng)。工況周期波動(dòng)試驗(yàn)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(shí)際運(yùn)行中轉(zhuǎn)速對(duì)機(jī)械密封的影響程度占主導(dǎo),轉(zhuǎn)速的變化會(huì)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(dòng)下的機(jī)械密封摩擦副配對(duì)材料不適宜硬度較大的SSiC和自潤(rùn)滑性較好的M106K配對(duì),應(yīng)采用硬度和剛性均更好的SSiC與WC進(jìn)行配對(duì),其中SSiC作為摩擦副配對(duì)中的動(dòng)試件,具有更好的減摩增潤(rùn)效果。