工況周期波動下深海推進器密封摩擦副性能研究

徐理善,陸俊杰,宋慧

(1.浙大寧波理工學院,315010,浙江寧波;2.中國科學院海洋材料及相關技術重點實驗室,315201,浙江寧波)

深海推進器是我國建設海洋強國的戰略性裝置[1],對海洋資源的探索具有關鍵性作用。設備的旋轉軸用機械密封直接影響深海推進器的密封效果、熱控效率以及設備可靠性運行。如圖1所示,深海推進器在航行時會連續下潛、上浮,海水壓力以及航行速度都會對深海推進器密封性能影響較大,使其壓力和轉速都會受到影響和相應的改變。為了降低轉軸機械密封承載壓力,導致采用新型的壓力補償機構來平衡內外側壓差[2]。但是,由于壓力補償裝置和深海洋流波動,使得深海推進器機械密封處于端面比壓波動和主軸轉速波動的服役環境中,容易造成動靜環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,最終令深海推進器無法正常工作。

圖1 深海推進器與機械密封示意圖Fig.1 Schematic diagram of deep-sea propeller and mechanical seal

針對機械密封端面摩擦問題,國內外專家做了大量實驗研究,涉及密封泄漏率、端面溫升、PV值、轉矩、磨損率等性能參數變化規律[6-11]。Tournerie等通過端面溫度變化規律來判斷液膜狀態[12];賈謙等考慮了渦輪泵密封件螺旋槽參數對機械密封性能的影響[13];Lee等發現密封環的周期性接觸會產生高頻諧振蕩并最終導致密封環的磨損或瞬間失效[14];胡小云通過采用信息融合技術,將機械密封端面摩擦副材料和幾何形狀的靜態信息與不同工況下試驗測得的溫度、扭矩、摩擦狀態等動態信息相結合,綜合分析端面流體膜和摩擦狀態的變化情況,因此獲得機械密封性能和使用壽命的影響規律[15]。Zhao等基于混合潤滑損失模型,通過正交試驗模擬了試驗臺結構參數和工況參數對動摩擦系數和磨損的交叉影響[16-17]。另一方面,學者發現環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加工螺旋槽、球形、微窩型等織構來減小摩擦副間的摩擦磨損[18-21]。盡管國內外專家學者在多領域下對機械密封性能進行了大量測試[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演變規律分析,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償機制下的機械密封領域更為缺乏。

因此,本文重點對工況周期波動下的機械密封摩擦副進行測試研究?；跈C械密封PV試驗機,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行實時摩擦系數變化規律、表面溫升速率以及形貌演變等試驗數據的比較分析。隨后,開展3種不同材質摩擦副配對下的摩擦性能規律研究,試圖探尋深海推進器在工況波動下摩擦學性能優異的配副模式,為機械密封長壽命高可靠性提供依據。

1 試驗裝置與樣件

1.1 機械密封PV試驗機概述

本文采用MGF-2型機械密封PV試驗機,如圖2所示。該試驗機由主軸,上、下試件夾具,上、下試件盒,加載裝置,轉動裝置、帶壓流體循環裝置,以及加熱與冷卻循環裝置等組成。該試驗機主要由傳動系統、加載系統、帶壓流體循環系統以及測試系統組成。①傳動系統:高速電機及主軸采用一體式結構,變頻調速三相異步交流電動機→同步帶和帶輪→主軸→動環(摩擦盤)。②加載系統:試驗機采用彈簧加載系統,實現試驗力的自動加載與卸載。③帶壓流體循環系統:采用恒壓變量水泵系統,實現自動控制試驗水循環的壓力及流量控制。④測試系統:試驗過程中,數據采集在上試件和下試件安裝傳感器測量試驗機轉速與所施加載荷,將電信號進行放大后轉換成物理信號并傳輸到外部設備。試驗中每秒采集一次數據,并通過轉換器等設備來實現數據顯示。由于摩擦系數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,再由摩擦扭矩換算出摩擦系數。

圖2 機械密封PV試驗機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。機械密封在運轉時動環旋轉,靜環貼合動環保持靜止,在試驗臺裝置中,通過上試件(靜環)加載,下試件(動環)旋轉,令上下試件形成面接觸下的旋轉摩擦,以此來模擬實際的機械密封動、靜環的運行狀態,并且在密封腔中通入帶壓流體,采用高強度可視化工程塑料制成,便于觀察泄漏情況和密封結構運轉情況,模擬機械密封在緩沖液下的真實運行環境。另一方面,對載荷、轉速、溫度以及摩擦副配對材料等參數進行調整和選擇,使模擬的工況變化范圍在機械密封PV試驗機最高載荷4 kN、最高轉速9 000 r/min、溫度0～80 ℃的參數范圍內。

1.2 試驗樣件

深海推進器機械密封的常規密封配對材料為SSiC(無壓燒結碳化硅)與M106K(石墨)[25],但是由于機械密封服役環境存在工況周期波動,動環與靜環形成的摩擦副長期處于接觸式運行,導致機械密封提前失效。

為探尋深海推進器在工況波動下摩擦學性能優異的配副模式,本次試驗采用3種配對方式:常規的SSiC-M106K(無壓燒結碳化硅與石墨);SSiC-WC(無壓燒結碳化硅與無壓燒結碳化硅);WC-SSiC(碳化鎢與無壓燒結碳化硅)。試件的結構尺寸如圖3所示,試件的物性參數如表1所示。

圖3 機械密封試件尺寸及安裝圖Fig.3 Dimensions and installation drawing of mechanical seal test pieces

表1 材料物性參數表Table 1 Physical property parameters of materials

2 試驗方案與流程

2.1 試驗方案

某型號深海推進器的運行參數[25]如表2所示,從表中可以發現,航速在1～5 m/s波動,壓力在0.5～5.3 MPa波動,從而導致深海推進器用機械密封服役環境為工況周期波動而并非恒定工況,工況在變化過程中,轉速和壓力都隨著時間發生改變,使流體膜一直波動,無法形成穩定且有效的流體動壓膜,導致動、靜環產生接觸而失效。

深海推進器采用內裝平衡型非接觸式密封結構[4],密封內徑與外徑如表2所示,由于試驗臺運行以載荷和轉速為控制對象,經過式(1)和式(2)轉換,將深海推進器壓力轉化為端面所承受載荷。同時,將航行速度轉化為主軸轉速,得到密封載荷范圍為0.2～2.1 kN、轉速范圍為1 000～2 000 r/min,樣件根據表2中密封結構尺寸進行加工設計。

表2 某深海推進器用機械密封運行工況參數[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、轉速1 000～2 000 r/min范圍內和定工況參數為1 kN和2 000 r/min的條件下進行模擬測試,測量實時摩擦系數和表面形貌等試驗數據。

(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行模擬測試,測量實時摩擦系數和表面形貌等試驗數據。

2.2 試驗流程

2.2.1 定工況試驗流程

(1)在試驗機上輸入相關設定參數,主要包括試驗組對材料編號,試驗件密封端面內徑、外徑,試驗啟動轉速,根據深海推進器平均航行時間接近1 h的工況條件,結合試驗臺設備以及試驗周期,設定密封環運行時間為2.5 ks,并設定扭矩、溫度、最大加載力等。

(2)正確安裝試驗件,檢查密封環浮動性。

(3)預加載力50～80 N,使動靜環端面貼合后加載力調零,繼續加載至試驗要求值0.2 kN,進行氣密性檢查。

(4)氣密性檢查合格后,將密封腔循環注入水,在200 r/min開始運轉后手動加速至2 000 r/min,隨后自動增大加載力至2.1 kN,觀察摩擦扭矩、摩擦系數等。

2.2.2 工況周期波動試驗流程

(1)在試驗機上輸入相關設定參數,主要包括試驗組對材料編號,試驗件密封端面內徑、外徑,試驗啟動轉速,根據深海推進器平均航行時間接近1 h的工況條件,結合試驗臺設備以及試驗周期,設定密封環運行時間為2.5 ks,并設定扭矩、溫度、最大加載力等。

(2)正確安裝試驗件,檢查密封環浮動性。

(3)預加載力50～80 N,使動靜環端面貼合后加載力調零,繼續加載至試驗要求值0.2 kN,進行氣密性檢查。

(4)定速變載試驗。氣密性檢查合格后,將密封腔循環注入水,在2 000 r/min開始運轉,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、摩擦系數等。

(5)定載變速試驗。氣密性試驗合格后,將密封腔循環注入水,在1 000 r/min開始運轉,隨后自動提升速度至2 000 r/min,并逐漸手動降低轉速至1 000 r/min,觀察摩擦扭矩、摩擦系數等。

(6)變速變速試驗。氣密性試驗合格后,將密封腔循環注入水,在1 000 r/min開始運轉,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、摩擦系數等。

3 結果分析與討論

3.1 工況周期波動與定工況下SSiC-M106K摩擦系數

在相同的試驗環境下,對SSiC-M106K配對副分別進行了加載加速和降載降速的工況變化,載荷在0.2～2.1 kN、轉速在1 000～2 000 r/min范圍內的共同波動工況,以及載荷為1 kN、轉速為2 000 r/min的恒定工況下的摩擦系數如圖4所示。在工況周期波動下,摩擦系數先波動上升,然后逐漸下降,最小達到了0.016。在定工況條件下,摩擦系數從啟動開始增加到0.137,然后保持穩定,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,可以看到定工況下摩擦系數平穩波動,工況周期波動在連續不穩定環境中振蕩較大,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 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,通過電鏡圖分析發現:工況周期波動下的M106K表面粗糙峰面已被磨平,表面呈現出明顯的磨損現象,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摩擦副出現波動,造成石墨表面出現磨粒并存儲在摩擦副界面,造成二次磨損,進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 工況周期波動下不同材料配對的摩擦副試驗

3.2.1 工況周期波動下不同材料配對的摩擦系數以工況周期波動下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變化規律Fig.7 Variation rule of friction coefficient of different materials under periodic fluctuations at working condition

如圖7a所示,當轉速保持2 000 r/min,連續波動載荷0.2—2.1—0.2 kN時,SSiC-M106K配對副的摩擦系數0.109 9比SSiC-WC和WC-SiC配對副高出約10倍,其中SSiC-WC和WC-SiC配對副的摩擦系數先上升后降低并逐漸保持平穩,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配對副的摩擦系數隨著載荷波動都呈現出較為穩定的趨勢,摩擦系數維持在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,能在更短的時間內對載荷波動做出調整,而且在SSiC-WC配對進行摩擦試驗中WC自身硬度與強度都高于SSiC,更適宜承受高載荷。因此,SSiC-WC配對副在定速變載下的優勢更大。

如圖7b所示,當載荷穩定在1 kN不變時,轉速從1 000 r/min增加至2 000 r/min后持續減小至1 000 r/min的波動情況下,SSiC-WC配對副的摩擦系數變化規律與SSiC-M106K的類似,但前者的摩擦系數變化區間在0.03～0.09之間,明顯低于后者,而WC-SiC配對副的摩擦系數表現為先緩慢上升后逐漸減小到0.1左右并維持穩定狀態,摩擦系數明顯高于SSiC-M106K和SSiC-WC。另一方面,通過比較轉速下降階段穩定范圍內的摩擦系數變化情況,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,導致其摩擦系數小于SSiC-M106K;與此同時,SSiC-WC中的SSiC為動試件(轉速),相比WC來說轉動慣量小,從而SSiC-WC在定載變速下的摩擦性能優勢更大。

從圖7c中可以看出,當載荷在0.2～2.1 kN和轉速在1 000～2 000 r/min范圍內共同波動時,加速加載階段SSiC-M106K的摩擦系數一直在0.005～0.016范圍內波動變化,而SSiC-WC、WC-SSiC配對副的摩擦系數都是先增加后急速減小至0.025。隨后,SSiC-WC的摩擦系數繼續緩慢下降,而WC-SSiC的摩擦系數則緩慢上升。這是由于WC在作為動環過程中剛度與慣性較大,導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保持穩定下降。通過比較下降階段穩定范圍內的平均摩擦系數,SSiC-M106K和SSiC-WC均為0.024,但WC-SiC為0.054。對比3種工況摩擦系數變化趨勢可以發現,實際運行中轉速對機械密封的影響程度占主導,轉速的變化會減弱由于負載增大所引起的接觸摩擦。綜合來看,SSiC-WC配對副的摩擦學性能優于其他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進行了形貌測試,通過觀察材料的表面磨損形貌可知,動、靜環中的軟質材料表面更易磨損。提取了SSiC-M106K中的M106K、SSiC-WC中的SSiC(標記為SSiC-D)和WC-SSiC中的SSiC(標記為SSiC-J)結果,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,應采用硬度和剛性均更好的SSiC與WC進行配對,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,沿微動方向出現了犁溝分布。這是因為M106K在運行時產生的大量磨屑聚集,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可以更好地保持穩定。綜上所述,在3種工況周期波動下,M106K磨損都較為嚴重,主要由SSiC表面的切削效應和表面的部分黏著磨損導致,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性能。

4 結 論

本文重點對工況周期波動下的機械密封摩擦副進行測試研究,對無壓燒結碳化硅(SSiC)與石墨(M106K)配副材料在工況周期波動與恒定工況下的進行對比試驗,進而研究不同材質摩擦副配對的摩擦性能規律,得到以下結論。

(1)SSiC-M106K在定工況下的摩擦系數較為平穩,在工況周期波動下的SSiC-M106K摩擦系數大幅振動。工況周期波動試驗后的M106K表面粗糙峰面已被磨平,表面呈現出明顯的磨粒二次磨損現象。

(2)在實際運行中轉速對機械密封的影響程度占主導,轉速的變化會減弱由于負載增大所引起的接觸摩擦。

(3)在工況周期波動下的機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,應采用硬度和剛性均更好的SSiC與WC進行配對,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。