陳杰

摘 要：本文對(duì)密封材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括材料組份、成型工藝與結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，并通過(guò)開(kāi)展試驗(yàn)，對(duì)密封材料的高溫高速性能進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，線速度、溫度對(duì)材料磨損率具有較大影響，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)工況適應(yīng)性分析可知，在特定時(shí)間內(nèi)，密封未出現(xiàn)明顯泄露。

關(guān)鍵詞：高溫高速旋轉(zhuǎn)軸;密封材料;密封性能

引言：在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制中，密封材料的工作環(huán)境十分惡劣，常處于低溫、高溫、高速交變的環(huán)境下，密封表面經(jīng)常因摩擦生熱、潤(rùn)滑失效等因素影響，影響密封效果。為了滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)在材料性能與結(jié)構(gòu)方面的需求，應(yīng)采取多種有效措施，探索增強(qiáng)規(guī)律與失效機(jī)理，為新材料設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。

一、密封材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）材料組份設(shè)計(jì)

密封材料的基體采用聚醚酰亞胺，屬于熱塑性材料的一種，在高于500℃的環(huán)境下開(kāi)始分解，熔點(diǎn)為380℃，該材料的機(jī)械性能較強(qiáng)，未經(jīng)過(guò)填充時(shí)拉伸強(qiáng)度便可超過(guò)100MPa，熱膨脹系數(shù)為2×10-5—3×10-5/k之間，在介電與耐輻射性方面具有較大優(yōu)勢(shì)，彈性模量范圍為3—4MPa，可滿足高溫的性能要求。

（二）材料成型工藝

將聚醚酰亞胺與復(fù)合材料的特點(diǎn)相結(jié)合，采用熱膜壓制作工藝，制作出試樣，在內(nèi)部塞入填充物，按照質(zhì)量百分比分別與PEI材料混合后，熱模壓成型，再燒結(jié)脫模，經(jīng)過(guò)機(jī)械加工成為試驗(yàn)所需的尺寸。

（三）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于密封位置的尺寸與工作環(huán)境受到嚴(yán)格限制，最好采用唇形密封結(jié)構(gòu)，在唇口的位置采用過(guò)盈配合，使復(fù)合材料與軸緊密結(jié)合，唇口油側(cè)的接觸角為45°，空氣側(cè)的接觸角不超過(guò)30°，這樣可使磨面形成微凸體，產(chǎn)生回泵送的現(xiàn)象。在唇口相交的位置，利用斜面接觸，與油側(cè)相近之處的過(guò)盈量較大，可使唇口配合更緊密，即便產(chǎn)生磨損，二者也始終可保持過(guò)盈接觸，達(dá)到最佳密封效果[1]。

二、密封材料的高溫高速性能

（一）試驗(yàn)裝置

電主軸利用變頻調(diào)速，由聯(lián)軸器帶動(dòng)偶見(jiàn)圓盤(pán)與傳動(dòng)箱，使其旋轉(zhuǎn)到制定轉(zhuǎn)速，將試樣固定在加載裝置中，利用彈簧進(jìn)行加載，通過(guò)降低振動(dòng)、軸系撓度等方式，使徑向力變化發(fā)生改變;將加熱管放入隔熱腔室內(nèi)，利用溫控器進(jìn)行控溫，發(fā)揮采集卡的作用，對(duì)測(cè)試中的振動(dòng)信號(hào)、徑向力進(jìn)行采集，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后，將其傳入計(jì)算機(jī)中，人機(jī)界面采用Visual Basic語(yǔ)言編程，經(jīng)過(guò)程序處理后，繪制出振動(dòng)時(shí)間與徑向力的曲線，并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)。

（二）技術(shù)參數(shù)

在本次試驗(yàn)中，主要裝置的技術(shù)參數(shù)如下，對(duì)于振動(dòng)信號(hào)與徑向力，可利用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，通過(guò)VB語(yǔ)音編程進(jìn)行信號(hào)處理，并將處理結(jié)果以圖形的方式顯示出來(lái)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

（1）試驗(yàn)溫度為RT

（2）升溫速率范圍為20—50℃·min-1;

（3）負(fù)載范圍為0—50N之間;

（4）接觸線速度范圍為20—100m·s-1之間。

（三）磨損性能測(cè)試

在高溫高速狀態(tài)下，工作溫度對(duì)復(fù)合材料性能具有重要影響，在忽略因素之間相互作用的情況下，利用正交表開(kāi)展高溫高速磨損試驗(yàn)。

（1）測(cè)試條件

在試驗(yàn)過(guò)程中，采用自制試驗(yàn)臺(tái)架，試樣的尺寸為20mm×6mm×20mm，偶件尺寸為φ 32mm×φ 110mm×10mm，偶件材料采用1Cr18Ni9Ti高溫鋼，負(fù)載為10N，共計(jì)測(cè)試15min，工況為干摩擦。

（2）試驗(yàn)方法

在本次試驗(yàn)中，對(duì)不同的線速度下進(jìn)行測(cè)試，分別在40m？s-1、60m？s-1、80m？s-1的狀態(tài)下，開(kāi)展高溫正交試驗(yàn)，利用電子天平計(jì)算磨損質(zhì)量，天平精度為0.1mg;在試驗(yàn)開(kāi)始之前，將樣品用水砂紙進(jìn)行打磨，試樣安裝后，不加載狀態(tài)下保溫20分鐘，每次配比測(cè)量2—3次，磨損率取均值，如若結(jié)果的差異過(guò)大，則需要重新測(cè)試[2]。

（3）試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，在線速度為40m·s-1正交試驗(yàn)中，隧道球形石墨含量的不斷增加，磨損率先低后增高，在15wt.%時(shí)達(dá)到最低值;隨著碳纖維含量的不斷增加，磨損率不斷提升;當(dāng)試驗(yàn)溫度不斷提升時(shí)，磨損率逐漸降低，當(dāng)溫度升高至250℃時(shí)，磨損率降到最低。

在線速度為60m·s-1正交試驗(yàn)中，隨著石墨含量的不斷增加，磨損率也逐漸增加;當(dāng)碳纖維含量增加時(shí)，磨損率也隨之提升，當(dāng)碳纖維含量低于10wt.%時(shí)，磨損率幾乎未發(fā)生改變;環(huán)境溫度與磨損率成正比，當(dāng)溫度達(dá)到250℃時(shí)，磨損率達(dá)到最大值。

在線速度為80m·s-1正交試驗(yàn)中，隨著石墨含量的不斷增加，磨損率也逐漸增加;當(dāng)碳纖維含量增加時(shí)，磨損率先增加后下降，在15wt%時(shí)達(dá)到最低值;環(huán)境溫度與磨損率成反比，溫度升高的同時(shí)，磨損率反而下降，當(dāng)溫度達(dá)到250℃時(shí)，磨損率的變化趨于平穩(wěn)，很少發(fā)生明顯變化。

（四）密封件工況適應(yīng)性

以某型號(hào)航空發(fā)動(dòng)機(jī)為例，采用雙密封結(jié)構(gòu)形式，在正式測(cè)試之前仔細(xì)檢查軸表面，禁止軸表面、倒角處出現(xiàn)毛刺，在密封件安裝時(shí)，應(yīng)旋轉(zhuǎn)推進(jìn)，唇口向油側(cè)密封件與旋轉(zhuǎn)的方向相反，空氣側(cè)與旋轉(zhuǎn)方向一致。壓力加載速率為0.1MPa·s-1，初始?jí)毫χ禐?.3MPa。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，采用直接觀測(cè)法，在檢測(cè)范圍內(nèi)未出現(xiàn)明顯泄露情況，經(jīng)過(guò)6小時(shí)測(cè)試后，唇口直徑為 15.8mm，磨損深度為0.3mm，穩(wěn)定運(yùn)行模式下，以流體潤(rùn)滑為主[3]。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)本文研究可知，在較高攪拌速度下，可使原材料充分混合，通過(guò)開(kāi)展磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在150—300℃下，線速度、溫度對(duì)材料磨損率具有較大影響，測(cè)試模擬結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)工況試驗(yàn)結(jié)果相一致。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫健偉.高溫高速旋轉(zhuǎn)軸接觸式密封材料研制及其密封性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2019.

[2]蔚利軍.高速高壓旋轉(zhuǎn)軸滑環(huán)式組合密封性能的研究[D]，南京南開(kāi)大學(xué)，2014.

[3]徐仁泉，葉潤(rùn)喜.水輪機(jī)密封材料的研制及其使用性能的考察[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2019，9（4）.