張妙恬， 時(shí)劍文2， 索雙富2， 孟國(guó)營(yíng)

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院， 北京 100083； 2.清華大學(xué) 機(jī)械系， 北京 100084)

引言

橡塑密封件的結(jié)構(gòu)和性能對(duì)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)、性能和使用壽命至關(guān)重要。密封性能差不僅會(huì)增加機(jī)器的摩擦、磨損以及功率消耗，從而縮短機(jī)器的工作壽命，還會(huì)引起因泄漏而造成環(huán)境污染和設(shè)備腐蝕。密封件的失效會(huì)直接影響整機(jī)的效率導(dǎo)致大量的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)?lái)嚴(yán)重的安全事故。

針對(duì)密封圈磨損問(wèn)題， 研究者們經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的研究歷程，取得了一系列的研究成果，如建立密封圈彈流潤(rùn)滑模型評(píng)價(jià)密封圈性能[1-3]、研究密封圈失效機(jī)理[4-5]、以及改變密封圈結(jié)構(gòu)和材料等方法提高密封圈壽命和可靠性等[6-7]。然而目前的實(shí)驗(yàn)研究大多聚集于油壓、往復(fù)速度、溫度及密封圈結(jié)構(gòu)尺寸的變化對(duì)密封圈的磨損影響[6-7]，很少考慮密封圈加工工藝、活塞桿鍍膜材料對(duì)密封圈磨損的影響。

本研究搭建往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)，取添加碳纖維PTFE的密封圈和鍍Cr膜活塞桿、鍍DLC膜活塞桿分別進(jìn)行往復(fù)密封臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后獲取使用過(guò)得密封圈作為實(shí)驗(yàn)樣本。通過(guò)三維白光干涉表面形貌儀、場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡和冷場(chǎng)發(fā)射高分辨掃描電子顯微鏡分別對(duì)實(shí)驗(yàn)樣本的密封唇進(jìn)行表面形貌、表面磨損和磨損表面元素進(jìn)行測(cè)定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，得出鍍膜材料脫落形成磨粒導(dǎo)致密封圈表面磨損，并對(duì)密封圈的加工工藝和活塞桿鍍膜材料的選擇提出了優(yōu)化建議。

1 往復(fù)密封臺(tái)架實(shí)驗(yàn)獲取實(shí)驗(yàn)樣本

1.1 往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建

往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由液壓缸、活塞桿、被測(cè)密封圈和拉壓傳感器等組成。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，活塞桿固定不動(dòng)，液壓缸由驅(qū)動(dòng)油缸供油在固定軌道上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，液壓缸由供油站供油使其缸內(nèi)達(dá)到實(shí)驗(yàn)用油壓，通過(guò)拉壓傳感器進(jìn)行壓力值數(shù)據(jù)采集。

圖1 往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)液壓缸實(shí)物圖，其中由右側(cè)驅(qū)動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)液壓缸進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；圖3為往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)供油站和驅(qū)動(dòng)站實(shí)物圖。

圖2 往復(fù)密封試驗(yàn)臺(tái)液壓缸實(shí)物圖

1.2 實(shí)驗(yàn)使用密封圈及其材料

采用由廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司密封研究所采購(gòu)的重載軸用階梯圈GMSS進(jìn)行往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)。采購(gòu)的密封圈均為斯特封，其結(jié)構(gòu)及安裝尺寸如圖4、圖5和表1所示。其中D型圈材料均為丁腈橡膠，耐磨環(huán)材料填充碳纖維的PTFE(添加比例約為15%)。

圖3 往復(fù)密封實(shí)驗(yàn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)站及供油站實(shí)物圖

圖4 斯特封結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 斯特封安裝方式及尺寸

表1 重載軸用階梯圈GMSS安裝尺寸表

實(shí)驗(yàn)所用2根活塞桿基體材料為不銹鋼，分別進(jìn)行不同鍍膜，一根活塞桿在鋼表面進(jìn)行鍍鉻膜處理，另一根活塞桿在剛表面進(jìn)行鍍DLC(類(lèi)金剛石)膜處理。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)樣本獲取

實(shí)驗(yàn)所用潤(rùn)滑油為15號(hào)航空油，實(shí)驗(yàn)溫度為20 ℃，實(shí)驗(yàn)設(shè)置油液壓力為35 MPa，設(shè)置往復(fù)速度為500 mm/s，設(shè)置每次實(shí)驗(yàn)往復(fù)次數(shù)為300次。選用2組密封圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)活塞桿鍍膜材料不同，每組密封圈分別進(jìn)行2次實(shí)驗(yàn)：第1次實(shí)驗(yàn)使用2個(gè)全新斯特與鍍Cr膜活塞桿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；第2次使用2個(gè)全新斯特封與鍍DLC膜活塞桿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

往復(fù)密封臺(tái)架實(shí)驗(yàn)完畢后，拆卸實(shí)驗(yàn)臺(tái)，取出使用過(guò)的斯特封作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)樣本，分別切割長(zhǎng)度約為5 mm的密封圈內(nèi)圈備用，實(shí)驗(yàn)樣本如圖6所示，樣本名稱(chēng)如表2所示。

2 密封唇表面形貌測(cè)定

利用清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Nexview三維白光干涉表面形貌儀(如圖7所示)對(duì)密封圈內(nèi)側(cè)唇部進(jìn)行表面形貌測(cè)定。

圖7 三維白光干涉表面形貌儀實(shí)物圖

如圖8所示，將試驗(yàn)樣本固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，選擇合適的鏡頭，調(diào)節(jié)放大倍數(shù)為50倍，調(diào)整樣本位置，選取密封圈內(nèi)側(cè)密封唇與軸接觸區(qū)域(寬度800 μm左右)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定結(jié)果如圖10～圖13所示，其中左圖為測(cè)量表面形貌三維圖，右圖為俯視放大圖。

圖8 測(cè)試實(shí)驗(yàn)操作臺(tái)

圖9為全新未使用添加碳纖維PTFE的密封圈內(nèi)圈唇部測(cè)量結(jié)果，圖中可以清晰的看到密封圈加工的車(chē)削痕跡，排列整齊。其表面粗糙度Sa=18.347 μm(算術(shù)平均高度)，Sq=21.610 μm(根均方高度)，Sz=91.968 μm(最大高度)。

圖9 樣本3密封圈唇部

圖10 樣本1-1密封圈唇部 圖11 樣本1-2密封圈唇部

圖12 樣本2-1密封圈唇部 圖13 樣本2-2密封圈唇部

圖10～圖13分別為與鍍Cr軸、鍍DLC軸接觸的添加碳纖維PTFE的密封圈內(nèi)圈唇部測(cè)量結(jié)果，由圖可以看出，密封圈加工的車(chē)削痕受到擠壓，車(chē)削痕跡輪廓模糊。與鍍Cr軸接觸的密封圈唇部表面粗糙度樣本1-1為Sa=8.367 μm，Sq=10.239 μm，Sz=66.107 μm，樣本2-1為Sa=7.417 μm，Sq=9.032 μm，Sz=48.706 μm；與鍍DLC軸接觸的密封圈唇部表面粗糙度樣本1-2為Sa=7.315 μm，Sq=9.390 μm，Sz=59.623 μm，樣本2-2為Sa=6.838 μm，Sq=8.283 μm，Sz=45.228 μm。由三維圖可以看出，密封圈與軸接觸擠壓后，雖有回彈，但回彈不到原始位置。其中與鍍DLC軸接觸的密封圈較鍍Cr軸接觸的密封圈唇部受擠壓更明顯，回彈更小。

3 密封唇表面磨損測(cè)定

利用清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡(如圖14所示)對(duì)密封圈內(nèi)側(cè)唇部進(jìn)行表面磨損測(cè)量。

圖14 場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡實(shí)物圖

將實(shí)驗(yàn)樣本放入實(shí)驗(yàn)儀器，將鏡頭對(duì)準(zhǔn)密封圈內(nèi)側(cè)唇部與軸接觸區(qū)域，調(diào)整鏡頭位置，選取可視范圍，選擇放大倍數(shù)分別為200， 500， 1000倍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果如下。

如圖15所示，為放大200倍的電鏡實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。由圖可知，全新未使用的密封圈車(chē)削痕跡排列整齊，經(jīng)過(guò)往復(fù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)使用過(guò)的2個(gè)密封圈實(shí)驗(yàn)樣本，與軸接觸后密封唇受擠壓后車(chē)削痕跡不明顯。

圖15 放大200倍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖16和圖17所示分別為放大500倍和放大1000倍的電鏡實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。由圖可知，經(jīng)過(guò)往復(fù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)使用過(guò)的2個(gè)密封圈實(shí)驗(yàn)樣本，與軸接觸后密封唇受到磨損，其中與鍍Cr軸接觸的密封圈唇部磨痕較淺，與鍍DLC軸接觸的密封圈唇部磨痕較深。磨痕方向一致，成流線型，說(shuō)明密封圈與活塞桿運(yùn)動(dòng)之間有磨粒產(chǎn)生，磨粒導(dǎo)致密封圈唇部表面收到磨損、形成磨痕。由于密封圈PTFE材料較活塞桿鍍膜材料軟，因此磨粒為活塞桿鍍膜材料脫落。

圖16 放大500倍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖17 放大1000倍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 密封唇磨損表面元素測(cè)定

將5個(gè)樣本表面鍍一層Pt薄膜，利用清華大學(xué)摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的冷場(chǎng)發(fā)射高分辨掃描電子顯微鏡(如圖18所示)對(duì)密封圈內(nèi)側(cè)磨損唇部進(jìn)行表面元素測(cè)量。

圖18 冷場(chǎng)發(fā)射高分辨掃描電子顯微鏡實(shí)物圖

將實(shí)驗(yàn)樣本放入實(shí)驗(yàn)儀器，將鏡頭對(duì)準(zhǔn)密封圈內(nèi)側(cè)唇部與軸接觸區(qū)域，調(diào)整鏡頭位置，選取可視范圍，選擇放大倍數(shù)500倍進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于2個(gè)使用過(guò)得密封圈分別與鍍Cr軸和鍍DLC(類(lèi)金剛石)軸摩擦接觸，其對(duì)偶材料分別為Cr、C，鍍膜軸基體成分為不銹鋼，因此，測(cè)定元素為Cr、C和Fe。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

圖19所示為與鍍Cr軸接觸密封圈和全新未使用密封圈唇部的3個(gè)樣本進(jìn)行Cr元素測(cè)量結(jié)果，圖中黃色明亮點(diǎn)為Cr元素存在處，Cr元素主要存在于密封唇兩車(chē)削痕之間。由圖19a～圖19c對(duì)比可以看出，與鍍Cr軸接觸的密封圈唇部有明顯的Cr元素殘留，其中車(chē)削凹痕處Cr元素殘留較多，說(shuō)明鍍Cr軸表面材料有磨損，發(fā)生了材料轉(zhuǎn)移。

圖19 測(cè)量Cr元素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖20所示為對(duì)于鍍DLC軸接觸的密封圈和全新未使用的密封圈2個(gè)樣本進(jìn)行C元素測(cè)量結(jié)果，圖中綠色明亮點(diǎn)為C元素存在處。由圖20a、圖20b對(duì)比可以看出，與鍍DLC軸接觸的密封圈唇部C元素含量增加，但比圖19a與鍍Cr軸接觸的密封圈Cr元素增加量少。有圖19和圖20可知，兩根鍍膜軸的鍍膜材料均發(fā)生了材料轉(zhuǎn)移，且鍍Cr膜材料轉(zhuǎn)移量大、磨損大。

圖20 測(cè)量C元素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖21所示為同時(shí)對(duì)5個(gè)樣本進(jìn)行Fe元素測(cè)量結(jié)果，圖中橙色明亮點(diǎn)為Fe元素存在處，F(xiàn)e元素主要存在于密封唇兩車(chē)削痕之間。由圖21a～圖21e對(duì)比可以看出，與鍍Cr軸接觸和與鍍DLC軸接觸的密封圈唇部均有Fe元素殘留，車(chē)削凹痕處Fe元素殘留較多，說(shuō)明鍍Cr軸、鍍DLC表面鍍膜材料均有磨損，不銹鋼軸中的Fe元素發(fā)生了轉(zhuǎn)移。

圖21 測(cè)量Fe元素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由本實(shí)驗(yàn)可知，雖然密封圈PTFE材料比2種鍍膜材料軟，但接觸運(yùn)動(dòng)后均與對(duì)偶材料發(fā)生了元素轉(zhuǎn)移，其中與鍍Cr軸接觸的密封圈Fe元素量大于與鍍DLC軸接觸的密封圈，說(shuō)明鍍Cr膜磨損較大。

5 密封圈及活塞桿加工建議

根據(jù)密封唇磨損表面元素測(cè)定實(shí)驗(yàn)可知道，密封圈的對(duì)偶材料元素轉(zhuǎn)移集中在密封圈唇部車(chē)削痕間。因此密封圈唇部車(chē)削痕高度差對(duì)活塞桿摩擦磨損影響較大，可通過(guò)增大車(chē)削機(jī)器精度的方法，減小兩車(chē)削痕間高度差。

根于密封唇表面磨損和磨損表面元素測(cè)定實(shí)驗(yàn)可知，DLC鍍膜材料較Cr鍍膜材料好，但是由于鍍膜材料脫落產(chǎn)生磨粒，導(dǎo)致密封圈唇部磨損形成磨痕。因此，對(duì)活塞桿進(jìn)行鍍膜材料進(jìn)行加固，如在鍍DLC膜前先鍍一層鉻薄膜，然后再鍍DLC膜，從而防止鍍膜材料脫落破壞密封圈。

6 結(jié)論

本研究通過(guò)密封唇表面形貌、表面磨損、表面元素測(cè)定實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1) DLC(類(lèi)金剛石)材料較硬，在白光干涉實(shí)驗(yàn)中，與鍍DLC軸接觸的密封圈唇部磨痕明顯，磨損量大；在冷場(chǎng)發(fā)射電鏡實(shí)驗(yàn)中，與鍍DLC軸接觸的密封圈接觸區(qū)域C元素含量有所增加。Cr材料較軟，在白光干涉實(shí)驗(yàn)中，與鍍Cr軸接觸的密封圈唇部磨痕不明顯，磨損量小；在冷場(chǎng)發(fā)射電鏡實(shí)驗(yàn)中，與鍍Cr軸接觸的密封圈接觸區(qū)域Cr元素含量明顯升高。綜合以上，DLC鍍膜材料更好;

(2) 由于活塞桿鍍膜層脫落，產(chǎn)生磨粒，磨粒導(dǎo)致密封圈收到磨損、形成磨痕。鍍Cr軸和鍍DLC軸的鍍膜有不同程度損傷，不銹鋼軸金屬發(fā)生材料轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致兩個(gè)使用過(guò)的密封圈Fe元素含量增加。雖然密封圈PTFE材料比兩種鍍膜材料軟，但接觸運(yùn)動(dòng)后均與對(duì)偶材料發(fā)生了元素轉(zhuǎn)移;

(3) 可通過(guò)增大車(chē)削機(jī)器精度、減小兩車(chē)削痕間高度差的方法，減小密封圈對(duì)活塞桿摩擦磨損；同時(shí)，對(duì)活塞桿進(jìn)行鍍膜前應(yīng)對(duì)鍍膜材料進(jìn)行加固，防止鍍膜材料脫落破壞密封圈。