徐時(shí)賢 李紅波 蘇正濤

(1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院 北京 100095；2.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)減振降噪材料及應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100095)

密封根據(jù)接觸面的形式與狀態(tài)可以分為靜密封和動(dòng)密封，其中動(dòng)密封是指密封接觸面之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的主要形式有填料密封、橡膠密封圈密封、機(jī)械密封、螺旋密封和組合密封等[1]，其中，組合密封的一般組成形式是由聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，簡(jiǎn)稱PTFE)密封環(huán)和彈性體O形橡膠圈構(gòu)成。

磨損是決定橡塑密封件使用壽命的關(guān)鍵因素之一。PTFE以其優(yōu)異的機(jī)械性能、耐磨和潤(rùn)滑性能，成為液壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)重要的密封件材料[2]。為了獲得密封材料的摩擦磨損特性，眾多學(xué)者開展了摩擦磨損的試驗(yàn)研究[3-6]。這些研究方法主要分為2種：一種是以大量試驗(yàn)為基礎(chǔ)研究材料磨損深度的參數(shù)化影響，這種研究大多著重于微觀層面，研發(fā)成本高，且難以和工程實(shí)際聯(lián)系起來；另外一種是在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元仿真方法實(shí)現(xiàn)工程實(shí)際的預(yù)測(cè)，而針對(duì)這些試驗(yàn)結(jié)果在提取數(shù)據(jù)時(shí)，均未考慮實(shí)驗(yàn)時(shí)試樣變形對(duì)結(jié)果的影響，從而影響了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本文作者采用環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)，開展某種有機(jī)材料增強(qiáng)PTFE復(fù)合材料的磨損試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)際的磨損區(qū)域如圖2所示，可以看到試樣受擠壓后的磨損寬度a為實(shí)驗(yàn)的測(cè)取值，試樣沒有環(huán)塊的擠壓作用后，會(huì)有一定的彈性回復(fù)，磨損形狀并不規(guī)律，而是在兩側(cè)存在具有一定曲率的圓角，圓角兩端部的距離即為測(cè)量得到的磨損寬度。由于磨損形狀無法簡(jiǎn)單地繪制出來，文中采用平均接觸面積來計(jì)算接觸應(yīng)力，并引用Rhee的磨損經(jīng)驗(yàn)公式擬合PTFE材料的磨損經(jīng)驗(yàn)公式，得到PTFE材料應(yīng)用時(shí)的磨損形狀，為后續(xù)的密封件設(shè)計(jì)提供參考。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

圖2 試樣受擠壓變形原理圖

Fig 2 Deformation schematic diagram of specimen subjected to extrusion

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)方法

PTFE摩擦磨損試驗(yàn)在MRH-1型高速環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(如圖3所示)上進(jìn)行，試驗(yàn)材料為往復(fù)密封中常用的PTFE材料，其尺寸為6 mm×7 mm×30 mm，對(duì)摩環(huán)材料為活塞桿常用材料45鋼，其外徑為40 mm，將其表面粗糙度打磨至0.4 μm。

參照試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3960-2016[7]對(duì)試驗(yàn)塊進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)備所測(cè)數(shù)據(jù)，使所有試驗(yàn)的摩擦因數(shù)控制為約0.17。由于磨損量隨著壓力、速度以及磨損時(shí)間等參數(shù)的改變而變化，因此分別研究了以上參數(shù)單獨(dú)變化時(shí)PTFE材料的磨損情況[8]。試驗(yàn)載荷由砝碼的重力提供，分別選擇50、100、200、400 N的試驗(yàn)載荷；試驗(yàn)時(shí)間選擇0.5、1、2、3 h；試驗(yàn)轉(zhuǎn)速選擇100、200、300、400 、500 r/min，折合成線速度分別為 0.209、0.419、0.628、0.837、1.047 m/s。

圖3 MRH-1型高速環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

1.2 磨損模型計(jì)算

根據(jù)RHEE[9]的研究，磨損量服從下式：

ΔW=kpavbtc

(1)

式中：ΔW為磨損質(zhì)量(mg)；k、a、b、c為公式的擬合系數(shù)；p為磨損區(qū)域的接觸應(yīng)力(MPa)；v為磨損速度(m/s)；t為磨損時(shí)間(h)。

通過提取磨損試驗(yàn)中的系數(shù)擬合公式(1)所示的磨損公式，然后根據(jù)該公式將有限元模型文件中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，模型文件按照?qǐng)D4所示步驟進(jìn)行調(diào)節(jié)[10-11]，可以得到一定轉(zhuǎn)速、壓力和時(shí)間下的試驗(yàn)件磨損情況，整個(gè)計(jì)算的執(zhí)行采取Python語(yǔ)言進(jìn)行編輯。Python語(yǔ)言程序可以讀取Abaqus軟件odb結(jié)果中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和接觸應(yīng)力值，計(jì)算時(shí)，可以選一定量為坐標(biāo)的調(diào)整值，其與磨損公式計(jì)算出來的最大位移相比，就可以得到坐標(biāo)調(diào)整的加速系數(shù)，所有相關(guān)節(jié)點(diǎn)的調(diào)整量可以通過加速得到。當(dāng)所有加速系數(shù)之和比總循環(huán)次數(shù)大時(shí)，循環(huán)結(jié)束，可以得到最終計(jì)算結(jié)果。

循環(huán)過程中，為了防止出現(xiàn)單元畸變的情況，在環(huán)塊模型中除了在與軸接觸的部分設(shè)置第一層節(jié)點(diǎn)外，在模型厚度方向上分別設(shè)置多層節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)可以隨著第一層節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)均勻變化，這樣可以有效防止節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)變化導(dǎo)致的單元畸變。

圖4 模型調(diào)整步驟

2 數(shù)據(jù)擬合

2.1 磨損寬度測(cè)量

將不同工況下的試樣的磨損寬度記錄下來，如表1所示。

表1 PTFE磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)提取

由于試驗(yàn)后磨損量不易稱量，根據(jù)下式對(duì)磨損體積進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中:V為磨損體積(mm3);bs為試樣寬度(mm);R為磨損環(huán)塊的外徑(mm)。

根據(jù)弧長(zhǎng)公式，可以得到磨損后的PTFE接觸區(qū)域的面積：

(3)

式中:S為接觸區(qū)域的面積(mm2)。

建立磨損試驗(yàn)的有限元模型，如圖5所示，通過如圖6所示的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，磨損區(qū)域的接觸應(yīng)力在中部是比較集中的，而磨損的過程類似于刀具的切削過程，接觸區(qū)域的切削量是勻速等量的，這就可以假設(shè)在磨損過程中接觸區(qū)域的接觸應(yīng)力是均勻分布的，其不受壓力大小的影響。

接觸應(yīng)力和接觸區(qū)域在磨損前后是不相同的，且在磨損過程中一直變化，文中忽略試樣厚度方向的變化，通過公式(2)計(jì)算得到磨損體積，通過公式(3)計(jì)算磨損后試樣的接觸面積。按照理想化的接觸情況來看，在未磨損時(shí)接觸面積應(yīng)該為0；隨著磨損寬度的增加，接觸面積逐漸增大，而用于計(jì)算磨損公式的接觸應(yīng)力值是一個(gè)平均值，而不是磨損后的最終值。因此，文中求得平均接觸面積(如表2所示)，并根據(jù)此值求解平均接觸應(yīng)力值，作為公式(1)的輸入?yún)?shù)。

圖5 磨損實(shí)驗(yàn)有限元模型

圖6 磨損試樣的接觸應(yīng)力分布圖

試樣號(hào)磨損后接觸面積S/mm2平均接觸面積Sa/mm2磨損量ΔW/mg126.8813.444.43231.8915.957.40333.5916.798.64434.4417.229.31514.597.290.71619.289.641.64741.2420.6215.97827.2413.624.61928.3914.195.221028.6314.315.361129.7214.865.991230.0215.016.171330.3215.166.36

2.3 數(shù)據(jù)處理

將不同工況下的計(jì)算結(jié)果折算成磨損公式所需的p、v、t值，如表3所示，并將這些值與磨損深度相對(duì)應(yīng)，使用origin軟件進(jìn)行擬合，可以得到：k=0.007 54，a=2.792 38，b=0.989 33，c=0.357 29。將不同工況下的結(jié)果繪制于圖7中，可以發(fā)現(xiàn)曲線擬合效果良好，由于對(duì)于不同的壓力，得到p值并不相等，因此采用圖7(b)和圖7(c)所示的三坐標(biāo)圖來表征不同p與v和不同p與t的結(jié)果。

表3 PTFE實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

圖7 公式擬合結(jié)果對(duì)比

Fig 7 Formula fitting results comparison (a)relationship between pressure and wear volume; (b)the relationship between pressure,speed and wear volume; (c)the relationship between pressure,time and wear volume

3 結(jié)果對(duì)比

根據(jù)磨損公式對(duì)有限元模型進(jìn)行調(diào)整，如圖8所示，圖8(a)所示為轉(zhuǎn)速300 r/min，壓力200 N、時(shí)間2 h后有限元計(jì)算的輸入模型，將其進(jìn)行計(jì)算，可以得到如圖8(b)所示的接觸應(yīng)力云圖，可以看出，接觸應(yīng)力分布比較均勻。將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表4所示，可以發(fā)現(xiàn)兩者吻合良好，而計(jì)算精度與網(wǎng)格尺寸有關(guān)，即在計(jì)算能力允許范圍內(nèi)，通過細(xì)化網(wǎng)格可以降低計(jì)算誤差。

圖8 磨損有限元仿真結(jié)果

試樣號(hào)磨損寬度b/mm實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算結(jié)果計(jì)算誤差e/%25.35.41.8952.432.41.2384.534.50.694.724.81.69

4 結(jié)論

通過環(huán)塊磨損試驗(yàn)，定量研究了有機(jī)填充PTFE復(fù)合材料的磨損規(guī)律。在擬合磨損公式時(shí)，采用平均接觸面積的方法估算接觸應(yīng)力，將擬合出來的磨損公式，利用Python語(yǔ)言循環(huán)調(diào)整模型的輸入文件，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，一方面說明，這種估算接觸應(yīng)力的計(jì)算方法可以準(zhǔn)確地用于磨損的有限元計(jì)算，另一方面說明，基于磨損公式進(jìn)行的節(jié)點(diǎn)調(diào)整方法是相對(duì)準(zhǔn)確的，這種輸入文件的編輯方法可以為密封件的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測(cè)提供參考。