轉葉式舵機密封件在不同磨粒尺寸下的摩擦學特征研究

向晶晶 董從林 白秀琴 湯 敏

1.武漢理工大學交通與物流工程學院，武漢，4300632.國家水運安全工程技術研究中心可靠性工程研究所，武漢，430063

0 引言

船舶舵機是控制航向和調整操縱性的重要設備，直接影響船舶的使役性能、航行安全和可靠性[1-2]?，F代船舶向智能、節能、高安全可靠性發展，對船舶設備的智能集成、節能減排、輕量化、可靠性水平提出了更高要求[3]。轉葉式舵機具有體積小、結構簡單、集成度高、機械效率高、功率密度高等優點[4-5]，在相同扭矩的情況下，其占地空間僅是傳統柱塞式舵機的30%～60%，質量僅是柱塞式舵機的50%～75%，逐漸替代柱塞式舵機成為船舶舵機的主要產品，Rolls-Royce公司開發的轉葉式舵機已被廣泛應用于各類船舶[6]。

轉葉油缸是轉葉式舵機的關鍵部件[7]。油缸內的轉葉和定子將轉葉油缸分為幾個密閉的腔室，液壓油被注入腔室，對葉片產生壓力，驅動轉子轉動，進而控制舵的轉向。為了保證船舵響應速度快、不跑舵、不滯舵、舵角精準，轉葉油缸內油壓保持穩定是關鍵。保持油壓穩定的關鍵措施之一是保證轉葉和定子在高壓條件下具有優良的密封性能，從而不發生漏油泄壓。工作中，轉葉外端的密封件與缸體內壁長期處于高壓緊密貼合狀態，當液壓油驅動轉葉轉動時，密封件與缸體不可避免地產生接觸摩擦磨損，葉片密封件與缸體內壁之間產生磨損和磨粒[8-9]。若長時間工作，密封件的磨損逐漸加劇，產生的磨粒增加，粒徑增大。這些由于摩擦磨損而產生的不同粒徑大小的磨粒，會隨著液壓油再次轉移至兩摩擦副之間，使得密封件產生異常磨損[10-11]，引起密封失效、異常振動、液壓油泄漏，最終致使轉葉式舵機產生功能故障。因此，明晰轉葉密封件與缸體之間的摩擦磨損機理和獲取摩擦學信息是提高葉片密封件的磨損壽命、實現轉葉式舵機故障智能診斷的關鍵。

本文旨在模擬葉片密封件與缸體內壁在不同尺寸污染顆粒下的磨損狀態，解析密封件在不同磨損狀態下的摩擦磨損行為特征，提取關鍵摩擦學行為特征參數，為設計耐磨、高可靠性船舶轉葉式舵機葉片密封件提供參考，同時為船舶轉葉式舵機的故障診斷提供理論依據。

1 試驗部分

1.1 試驗材料及制備

聚氨酯(Polyurethane，PU)具有機械強度高、耐磨、耐油等優點，是用于制作船舶舵機密封件的常用高分子材料，工作中常與液壓缸、筒壁直接接觸[12-14]。雷鈺琛等[15]通過聚氨酯材料與45鋼盤之間的實驗，驗證了聚氨酯材料可應用于擺動油缸端面與轉子之間的密封。雷鈺琛[16]、劉曉玲等[17]在液壓缸往復密封性能研究中，分別利用聚氨酯-鋼與聚四氟乙烯-鋼進行了摩擦磨損試驗，結果表明聚氨酯的密封性能優于聚四氟乙烯。以上研究表明，液壓密封系統中，聚氨酯與鋼具有良好的適配性，因此，本文選擇聚氨酯高分子材料與船舶舵機機械結構中常用的鋼材碳鋼作為匹配副，并將聚氨酯高分子材料制成直徑為30 mm的圓盤。聚氨酯與碳鋼球的具體材料特性見表1。

表1 聚氨酯與碳鋼球的材料特性Tab.1 Material properties of PU and carbon steel ball

相關研究表明，在機械設備運行期間，油液中的磨粒粒徑d為2～20 μm時，設備從正常運行開始慢慢出現輕微磨損；當磨粒粒徑為20～70 μm或者更大時，會出現異常磨損[18-20]；EDMONDS等[21]在磨屑檢測方法研究中發現，金屬平均磨粒尺寸大于100 μm時，認為液壓系統中出現了嚴重磨損，且隨著磨損加劇，磨粒的尺寸和數量都有所增大[22]。本文為了體現油液中磨粒大小的隨機性，選用符合正態分布的平均粒徑d為5 μm、50 μm、120 μm和160 μm的四種鐵粉來模擬轉葉式舵機葉片密封件在不同磨損狀態下的磨粒尺寸，如圖1所示。

(a)d=5 μm (b)d=50 μm

(c)d=120 μm (d)d=160 μm圖1 鐵粉平均粒徑大小Fig.1 Average particle size of iron powder

選用液壓舵機中常用的黏度等級為ISO VG68(美孚)的液壓油作為試驗用油，將5 μm、50 μm、120 μm和160 μm四種不同粒徑的鐵粉和15 mL液壓油按照體積磨粒濃度公式分別配制成體積濃度為1.5%的含磨粒匹配液，本文討論磨粒尺寸對摩擦副的影響分析時均在此濃度情況下進行，磨粒濃度

(1)

式中，m為鐵粉質量，g；ρ1為鐵粉密度，g/cm3；V為液壓油體積，mL。

1.2 試驗過程

試驗均在Rtec多功能標準摩擦磨損試驗機上完成，并安裝振動測試系統同步采集因摩擦磨損誘導的振動信號，如圖2a所示。三維振動信號采集傳感器被安裝在摩擦試驗機往復模塊的上端，如圖2b和圖2c所示，可以實時獲取摩擦振動數據，如圖2d所示。拋光后的聚氨酯試樣如圖2e所示。聚氨酯高分子材料原料如圖2f所示。

由于轉葉密封件在油缸內通常做低速往復運動，故本試驗選用往復模塊，利用碳鋼鋼球與聚氨酯高分子材料試樣做往復對磨運動，往復行程為10 mm。根據轉葉式舵機葉片密封件與液壓缸內壁比壓進行換算，得到鋼球施加壓力約100 N，往復頻率為1 Hz，測試時間為1800 s，試驗溫度為25 ℃。

(a)Rtec多功能標準摩擦磨損試驗機及摩擦振動采集系統 (c)振動信號 采集傳感器 (d)振動信號通道 (f)聚氨酯原料圖2 試驗設備Fig.2 Test apparatus

分別在純液壓油和已制備的符合正態分布的平均粒徑d為5 μm、50 μm、120 μm和160 μm四種磨粒尺寸的匹配液中進行試驗。為了保障鐵屑在油液中具有較好的分散度，試驗前，匹配液在振蕩儀中進行30 min的振蕩分散，待其混合均勻后，立即提取分散油液進行試驗。在線采集不同磨粒尺寸下的摩擦因數、摩擦振動等特征，每種工況下重復試驗3次，每次均使用新的鋼球和匹配液。

1.3 測試技術及方法

試驗中利用VK-X1000激光共聚焦顯微鏡觀測不同磨粒尺寸下聚氨酯和碳鋼球的表面磨痕以及表面粗糙度等，進而獲得聚氨酯磨損體積等特征；利用梅特勒分析天平對試驗前后的碳鋼球進行質量測量，以獲得碳鋼球的磨損體積；利用VEGA3掃描電子顯微鏡(SEM)觀察聚氨酯和碳鋼球表面磨損狀態，并使用能譜儀(energy dispersive spectrometer，EDS)分析磨損區域的元素成分及分布情況；不同磨粒尺寸下產生的摩擦振動信號利用B&K振動測試系統進行采集、輸入和處理。

2 結果與分析

2.1 摩擦因數分析

(a)1800 s內變化規律

(b)平均摩擦因數μ (c)摩擦因數波動幅度Δμ圖3 不同磨粒尺寸下的摩擦因數Fig.3 COF under different particles sizes

2.2 材料磨損特征分析

利用激光共聚焦顯微鏡分別對磨損之后的聚氨酯和碳鋼球表面磨痕進行觀測，獲其磨損形貌曲線，流程見圖4a。聚氨酯在不同磨粒粒徑下的磨痕曲線對比圖見圖4b。顯然，隨著鐵屑粒徑的增大，磨痕寬度與深度逐漸增大，表明聚氨酯表面的磨損愈加嚴重，呈現依次遞增趨勢。聚氨酯的磨痕寬度W與磨痕深度D對比圖分別見圖4c和圖4d?？梢钥闯?，在純液壓油工況下，正常的潤滑特性使聚氨酯表現出較小的磨損，磨痕寬度最小，為3101 μm，磨痕深度最淺，為16.83 μm。在分別添加了粒徑為5 μm、50 μm、120 μm、160 μm的鐵屑后，磨痕寬度與磨痕深度變化非常明顯，呈上升趨勢，且在160 μm工況下，磨痕寬度最大達4104 μm，磨痕深度最大達29.46 μm。這歸因于磨粒破壞了液壓油膜；同時磨粒粒徑的增大，使得摩擦副之間的三體磨損更加嚴重，加劇了對摩擦副的磨損作用[24]?？傮w上說，大粒徑的磨粒對聚氨酯產生嚴重的磨損行為，很好地反映出聚氨酯的磨損狀態。

(a)觀測過程 (b)磨痕曲線

(c)磨痕寬度 (d)磨痕深度圖4 聚氨酯表面磨痕Fig.4 Wear scar of PU

為了定量描述鐵屑磨粒對聚氨酯的磨損狀態的影響，根據聚氨酯磨痕曲線，利用積分公式計算聚氨酯材料表面磨損體積。將磨損橫截面面積近似看作n個寬度為Δx的矩形面積的和，其中，Δx=1.383 μm，則單個寬度為Δx的矩形面積S0、材料磨痕橫截面面積S、材料的磨損體積V分別為

(2)

(3)

(4)

式中，f(xi)為橫坐標為xi時磨痕的深度值，μm；L為磨痕長度，mm。

利用磨損前后的質量差可以換算出鋼球磨損體積。分別計算得到不同磨粒尺寸下聚氨酯與碳鋼球的磨損體積V1與V2，如圖5所示。在純液壓油工況下，聚氨酯的磨損體積僅為0.3047 mm3，鋼球的磨損體積僅為0.0127 mm3。當鐵屑粒徑為5 μm時，聚氨酯的磨損體積相對于純液壓油工況反而減少，而其對磨副鋼球的磨損體積增至0.0320 mm3。但是，當鐵屑粒徑分別為50 μm、120 μm、160 μm時，聚氨酯的磨損體積分別增至0.4757 mm3、0.5859 mm3、0.6271 mm3，鋼球的磨損體積增至0.0254 mm3、0.0509 mm3、0.0764 mm3，說明大顆粒鐵屑加劇了聚氨酯與鋼球摩擦副的磨損。

利用激光共聚焦顯微鏡對磨損后的碳鋼球進行表面觀測，獲得其表面粗糙度Sa，如圖6所示。純液壓油工況下，鋼球磨損形貌較為平整，表面沒有犁溝型磨損和材料的剝離現象，劃痕不明顯，表面粗糙度較小，僅為0.74 μm，如圖6a所示。當添加5 μm粒徑的鐵屑時，表面有擦傷與犁溝現象，表面磨損加劇。當磨粒粒徑增大(例如50 μm和120 μm)，鋼球表面有非常深的犁溝現象，顯然是由硬質顆粒刮削而形成的。當磨粒粒徑增至160 μm時，材料表面出現大量寬且深的犁溝，表明材料的磨損已經非常嚴重，此時材料表面粗糙度也最大，為2.698 μm，如圖6e所示。碳鋼球的3-D表面形貌與表面粗糙度變化規律整體表現一致，隨著磨粒尺寸的增大，材料表面形成的犁溝越大，材料的磨損越嚴重。同時，聚氨酯材料和鋼球表面的磨損特征均能直觀地體現它們的摩擦磨損狀態，為磨損預測和故障診斷提供依據。

(a)聚氨酯磨損體積V1 (b)碳鋼球磨損體積V2圖5 磨損體積Fig.5 Wear volume

(a)d=0 μm (b)d=5 μm (c)d=50 μm

(d)d=120 μm (e)d=160 μm (f)碳鋼球表面粗糙度圖6 碳鋼球的3-D表面形貌Fig.6 The 3-D surface morphology of carbon steel ball

2.3 材料磨損表面形貌分析

為了進一步核實不同磨粒尺寸下聚氨酯高分子材料與碳鋼球表面的磨損信息，利用掃描電鏡觀察試樣磨損之后的表面微觀形貌，如圖7、圖8所示；再利用能譜儀(EDS)對聚氨酯表面磨損區域進行成分分析，并選取d=5 μm和d=50 μm工況下的磨損表面進行EDS圖譜分析，如圖9所示。純液壓油中，高載荷工況下，即使有液壓油的潤滑，聚氨酯表面也出現了輕微的黏著磨損，而鋼球表面相對平整，無明顯磨損。從整體上看，添加鐵屑后的表面磨損更加嚴重。添加5 μm粒徑的鐵屑時，從聚氨酯表面SEM圖可以看出，大量細微鐵粉嵌入聚氨酯表面，形成微凸體。對比EDS圖譜(圖9)，d=5 μm工況下，聚氨酯表面磨損區域鐵元素的峰值明顯高于d=50 μm工況下的相應值，表明有大量鐵元素附著在聚氨酯表面。這些嵌入聚氨酯表面的鐵粉在一定程度上使鋼球-聚氨酯摩擦轉變成鋼球-鐵粉之間的摩擦，防止了聚氨酯表面的磨損，導致聚氨酯的磨損量有所減小。然而，對應的鋼球表面有顯著的劃痕、擦傷以及凹坑，磨損明顯。當存在50 μm粒徑的鐵屑時，聚氨酯出現明顯的擠壓變形，并且在滑動摩擦力的作用下沿著一個方向產生卷曲和拉伸變形，此時磨粒對碳鋼球表面的劃痕同樣非常明顯。當鐵屑粒徑為120 μm時，聚氨酯在往復運動中受到犁削作用，表面形成明顯的犁溝和大量裂紋，同時某些區域還發生疲勞磨損并形成了典型的片狀剝落區特征，鋼球表面出現材料的卷曲以及明顯的犁溝，磨損明顯加劇。當鐵屑粒徑增至160 μm時，聚氨酯表面磨損非常嚴重，不僅在犁削作用下形成犁溝，同時還產生了大量的剝落物以及凹坑，碳鋼球的表面也形成大量的凹坑和犁溝，說明大粒徑的磨粒對兩摩擦副表面的磨損都異常劇烈，材料受損嚴重。這一變化規律與兩摩擦副之間的摩擦因數及其波動規律、磨損體積信息、磨損表面形貌信息保持一致。

(a) d=0 (b)d=5 μm (c)d=50 μm (d)d=120 μm (e)d=160 μm圖7 聚氨酯表面形貌SEM圖Fig.7 SEM pictures of PU

(a)d=0 (b)d=5 μm (c)d=50 μm (d)d=120 μm (e)d=160 μm圖8 碳鋼球表面形貌SEM圖Fig.8 SEM pictures of carbon steel ball

(a)EDS能譜圖

(b)d=50 μm時磨損區域的元素組成及分布

(c)d=5 μm時磨損表面的元素組成及分布圖9 50 μm和5 μm工況下聚氨酯表面磨損區域的EDS能譜圖Fig.9 EDS of wear surfaces of PU at 50 μm and 5 μm conditions

2.4 振動特征信號分析

材料表面的變形、拉伸和犁溝等行為往往致使摩擦系統不穩定，從而誘導摩擦振動。利用B&K振動測試系統采集載荷100 N、頻率1 Hz、磨粒濃度1.5%情況下，不同磨粒尺寸以及純液壓油工況下摩擦副之間的10 s振動時域信號，并利用快速傅里葉變換(FFT)將連續周期內的時域信號轉換成頻域信號，結果如圖10所示。

純液壓油中聚氨酯與碳鋼球摩擦副之間的振動時域信號如圖10a中左圖所示，添加5 μm、50 μm、120 μm和160 μm粒徑鐵屑時的振動時域信號分別如圖10b～圖10e中左圖所示。整體上看，添加磨粒后摩擦副之間的振動信號比純液壓油工況更加顯著，且隨著磨粒尺寸的增大，振動幅度增大。純液壓油中，摩擦副之間磨損狀態平穩，無明顯較大振幅，主要振動幅值在-1～1 m/s2之間波動。在5 μm粒徑時，振幅明顯增大，主要幅值約在-2～2 m/s2之間波動，表明磨粒對摩擦副之間的振動產生了明顯的影響。添加50 μm粒徑鐵屑時，主要幅值在-3～3 m/s2之間波動，1 s內出現兩個較大的振幅，振動表現更加劇烈。添加120 μm粒徑磨粒后振幅增大，主要幅值在-5～5 m/s2之間波動，振動愈加頻繁，表明摩擦誘導的振動行為增強，材料磨損加劇。在160 μm粒徑工況下，主要幅值在-6～6 m/s2之間波動，整個周期內振動波形已經發生變化，振動相當劇烈，表明此時摩擦副的工作環境相當惡劣，材料的磨損非常嚴重。

(a)d=0

(b)d=5 μm

(c)d=50 μm

(d)d=120 μm

(e)d=160 μm圖10 不同磨粒尺寸下摩擦副之間的振動-時域、振動-頻域信號Fig.10 Vibration-time domain and vibration-frequency domain signals between friction pairs with different particles size

純液壓油中的振動頻域信號如圖10a中右圖所示，磨粒尺寸5 μm、50 μm、120 μm和160 μm工況下的振動頻域圖分別見圖10b～圖10e右圖。隨著鐵屑粒徑的增大，頻域的幅值越來越大，且摩擦誘導主要振動頻率不斷向高頻擴展，振動逐漸變得強烈。純液壓油工況下，聚氨酯與碳鋼球的振動主頻域集中在0～200 Hz之間，振動幅值為64.83 mm/s2。添加5 μm粒徑鐵屑時，主要振動頻率除了集中在0～200 Hz之外，200～400 Hz之間也出現振動幅值，且幅值為15.35 mm/s2，此時振動頻率開始向高頻擴展。在50 μm粒徑工況下，主要振動頻率擴展至400～600 Hz之間，在453 Hz處出現幅值26.27 mm/s2，表明摩擦副之間的摩擦誘導振動行為劇烈，摩擦系統不穩定。在120 μm磨粒工況下，主要振動頻率開始向600～800 Hz擴展，高頻區域振動幅值出現在624 Hz處，摩擦副之間的振動加劇。當磨粒粒徑增至160 μm時，0～200 Hz之間的振動幅值增至109.55 mm/s2，且振動頻率已經擴展至600～1000 Hz，在774 Hz處出現幅值52.21 mm/s2，表明此時摩擦副的磨損異常嚴重。從振動數據來看，不同磨粒尺寸模擬的不同劇烈狀態的摩擦磨損階段可以用振動參數來表征，與摩擦因數和表面形貌特征規律保持一致。

3 摩擦磨損信息與磨損狀態之間的映射關系分析

為了進一步明晰摩擦磨損信息與磨損狀態之間的關系，對不同鐵屑磨粒尺寸模擬的不同程度磨損狀態下聚氨酯與碳鋼球配對副之間的摩擦磨損信息進行提取與分析，包括摩擦因數、磨損體積、磨損形貌和振動數據等，見表2。為更直觀地反映其映射關系，將表2的數據進行歸一處理，得到其雷達圖，見圖11?？梢钥闯?，聚氨酯與鋼球摩擦副之間的摩擦磨損特征信息能反映磨損狀態特征，它們之間存在一定的映射關系。隨著磨粒粒徑的增大，聚氨酯與碳鋼球配對副之間的磨損狀態逐漸變得惡劣，其摩擦磨損特征信息也逐漸增大，磨損狀態與磨損信息之間的對應關系非常顯著，尤其在極端磨損狀態下(添加大粒徑鐵屑)，摩擦副的磨損特征最為顯著。正常狀態下(純凈液壓油)，聚氨酯和鋼球之間處于正常磨損，摩擦因數、磨損體積、磨損形貌和振動等特征值處于較低水平。當處于輕微磨損時(即液壓油中有細微的磨損鐵屑)，摩擦因數逐漸增大，磨損體積明顯增大，磨損形貌粗糙且振動明顯。當處于中度磨損時(液壓油中有較大磨損顆粒)，各項磨損特征數據均逐漸增大。當處于嚴重磨損時(液壓油中出現大顆粒，比如粒徑160 μm)，各項磨損特征指標比正常工作時增大很多，磨損異常嚴重，摩擦副的振動劇烈。這表明聚氨酯材料已經磨損非常厲害，可能慢慢失效。綜上可知，通過感知磨損過程中的摩擦學特征信息，包括摩擦因數、液壓油中磨粒尺寸、磨損形貌、磨損體積、振動信號等特征可以評估或預測轉葉式舵機葉片密封件的磨損狀態，從而判斷其故障形式，為延緩故障、指導更換密封條提供理論依據，最終防止液壓油泄漏、轉舵失靈等功能性故障。

表2 聚氨酯與碳鋼球磨損特征信息Tab.2 Wear characteristics of PU and carbon steel ball

圖11 鐵粉粒徑對兩摩擦副磨損特征的影響Fig.11 Influence of iron particle size on wear characteristics of two friction pairs

4 結論

(1)隨著液壓油中鐵屑磨粒粒徑的增大，聚氨酯與碳鋼球之間的摩擦因數、磨損體積、磨損形貌和振動等特征值逐漸增大，說明磨損狀態逐漸惡劣。粒徑5 μm工況下的摩擦因數為0.1023、聚氨酯磨損體積為0.2470 mm3、振動加速度在-2～2 m/s2之間波動。而粒徑160 μm工況下的摩擦因數可達0.1650、聚氨酯磨損體積達0.6271 mm3、振動加速度在-6～6 m/s2之間波動，各項特征值表明，隨著液壓油中的鐵屑磨粒粒徑的增大，聚氨酯與碳鋼球之間的磨損狀態逐漸惡劣。

(2)當液壓油中存在小粒徑(5 μm)的鐵屑時，小顆粒鐵粉在摩擦磨損過程中容易嵌入聚氨酯表面中，對聚氨酯表面起到保護作用，使得聚氨酯的磨損體積最小，但對碳鋼球的磨損依然顯著，并且振動依舊較為顯著。

(3)通過感知磨損過程中的摩擦學信息，包括摩擦因數、液壓油中磨粒尺寸、磨損形貌、磨損體積、振動信號等特征，可為評估或預測轉葉式舵機葉片密封件的磨損狀態、故障形式提供有效途徑。