張龍,周呈,何金平

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

斯特林機的熱量轉(zhuǎn)換為機械功效率很高，學術(shù)上計算的斯特林循環(huán)的做功效率等于熱量學計算的卡諾效率，根據(jù)研究的斯特林機進行試驗，實際的效率可以達到32%至40%，更高甚至能達到47%[1]。其中工質(zhì)密封是斯特林發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)和最難解決的技術(shù)之一。氣體工質(zhì)的泄露將直接導(dǎo)致發(fā)動機功率和效率的降低，重則還會引發(fā)嚴重的安全問題。因此，密封材料的耐磨性、自潤滑性與斯特林機的功率、效率和可靠性密切相關(guān)。本文選用幾種不同的往復(fù)摩擦試驗機，建立實際工程應(yīng)用的工作參數(shù)，對LR05、1403、705 3種常用于斯特林機的PTFE材料開展摩擦學試驗。

1 PTFE材料的靜動摩擦系數(shù)試驗

密封材料的靜動摩擦系數(shù)是使用密封材料的關(guān)鍵指標之一，通過測試材料的靜動摩擦系數(shù)，從而可以分析材料的粘滑行為。材料的靜態(tài)摩擦系數(shù)和動態(tài)摩擦系數(shù)研究，對于材料選用是非常重要的，特別是靜態(tài)密封件的選用更加重要。

1.1 試驗裝置及方法

測試裝置選用日本新東科學株式會社制造的14FW往復(fù)摩擦試驗機，該試驗機采用齒輪齒條機構(gòu)實現(xiàn)往復(fù)運動，適用于各種平板材料或涂層表面餓摩擦、磨損及劃痕試驗，可根據(jù)面壓、線壓、點壓及樣品的相互組合進行測量。還可利用摩擦磨損解析軟件輕松顯示繁瑣的進行平均動摩擦運算，避免操作者個體誤差的產(chǎn)生，通過黏彈性動作將黏滑性細致地用波形表現(xiàn)出來，儀器的技術(shù)參數(shù)如下。

溫度范圍:0～50 ℃；加載范圍:0.1～20 N；運動方式：單向、往復(fù)；移動距離：1～100 mm；往復(fù)線速度：6～1 200 mm/min。斯特林機是往復(fù)型機器，在工作過程中活塞桿連桿組運動速度不是恒定的，機內(nèi)循環(huán)壓力也一直處于變化過程之中。因此，試驗過程中設(shè)定不同的相對滑動速度，施加不同的壓力，對于活塞環(huán)密封部件和干密封部件可靠性研究非常重要[2]。試驗選用高載低速、低載高速2種工況進行動靜摩擦系數(shù)的測定。試驗參數(shù)見表1。

表1 PTFE材料靜動摩擦系數(shù)測量參數(shù)

1.2 試驗結(jié)果和分析

圖1所示為14FW往復(fù)摩擦試驗在高載低速條件測得的3種PTFE材料靜動摩擦系數(shù)，通過對比試驗數(shù)據(jù)，可以看出:LR05材料的摩擦系數(shù)最大，靜摩擦系數(shù)達到了0.070，動摩擦系數(shù)達到0.064，靜摩擦系數(shù)分別比705材料和1403材料高出了22.3%和32.3%，動摩擦系數(shù)分別比705材料和1403材料高出了39.4%和42.9%。通過3種PTFE材料的靜動摩擦系數(shù)差值對比圖(見圖2)可觀察到，LR05在高載低速度工況下的靜動摩擦系數(shù)差值最低。根據(jù)機械粘滑特性理論認為，靜動摩擦系數(shù)越接近，出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象的可能性越小。

圖1 高載低速工況下3種材料靜動摩擦系數(shù)

圖2 高載低速工況下3種材料靜動摩擦系數(shù)差值

圖3所示為14FW往復(fù)摩擦試驗在低載高速條件測得的3種PTFE材料靜動摩擦系數(shù)。對比分析可以看出，LR05仍然呈現(xiàn)最大的摩擦系數(shù)，靜摩擦系數(shù)達到了0.077，動摩擦系數(shù)達到0.069，靜摩擦系數(shù)分別比705材料和1403材料高出了14.4%和25.1%，動摩擦系數(shù)分別比705材料和1403材料高出了5.4%和33.8%；通過3種PTFE材料的靜動摩擦系數(shù)差值對比圖(見圖4)可以看出，LR05在低載高速度條件下的靜動摩擦系數(shù)差值卻未如高載低速條件下一樣呈現(xiàn)最小差值，反而最大，即該工況下其出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象的可能性較大。

圖3 低載高速工況下3種材料靜動摩擦系數(shù)

圖4 低載高速工況下3種材料靜動摩擦系數(shù)差值

通過試驗可看出3種PTFE材料靜動摩擦系數(shù)在不同的速度、壓力工況下呈現(xiàn)較穩(wěn)定狀態(tài)，靜動摩擦系數(shù)差值卻變化較大，即機械粘滑理論認為的出現(xiàn)粘滑可能性變化較大。另外，測量的摩擦系數(shù)較小，也不能說明磨損量也小[3]。因此，有必要針對材料在不同滑動速度，施加不同的正壓力下，探討磨損量變化規(guī)律，綜合評判斯特林機常用的PTFE材料的工作性能。

2 微動往復(fù)條件下PTFE材料磨損性能試驗

磨損的形式非常多，一致認同的有四種磨損形式：粘著磨損；磨粒磨損(磨料磨損)；疲勞磨損；化學磨損。但是材料的實際磨損情況相對比較復(fù)雜，可能多種磨損形式一起起到作用，也有可能是一種磨損形式導(dǎo)致其他磨損形式的出現(xiàn)[4-5]。

2.1 試驗裝置及方法

試驗裝置采用美國CETR公司生產(chǎn)的UMT-2型摩擦試驗機，使用鋼球在試驗材料表面上做往復(fù)運動，傳感器記錄整個過程中的受力情況。UMT-2可以設(shè)定不同的載荷、不同的滑動速率，以及改變周圍環(huán)境溫度條件，試驗數(shù)據(jù)更加準確可靠，可以作為摩擦性能研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

試驗機具體參數(shù)如下。

加載范圍：0.1～500 N；

往復(fù)摩擦線速度：0.1～30 m/s；

轉(zhuǎn)動摩擦線速度：0.1～2 m/s；

對偶材料：Gcr15鋼球，直徑5.0 mm。

選用高載低速、低載高速兩種試驗條件下，分別進行摩擦系數(shù)和磨損量測定。試驗參數(shù)見表2。

表2 微動往復(fù)條件下材料磨損性能測試工況表

2.2 試驗結(jié)果和分析

在負荷12 N，頻率0.5 Hz，線速度0.005 m/s條件下，對3種材料的摩擦系數(shù)見圖5。從圖5發(fā)現(xiàn)，隨著相互摩擦運動距離的增長，3種材料的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)逐漸增加的走勢。這表明在此試驗條件下，3 600 s的滑動時間內(nèi)材料的摩擦熱平衡仍未完全達到穩(wěn)定狀態(tài)，其中705材料的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)最大值，1403與LR05材料的摩擦系數(shù)非常接近。

圖5 高載低速條件PTFE材料摩擦性能

從材料的體積磨損量變化可以看出(見圖6)，LR05呈現(xiàn)相對最差的耐磨性；705材料相對其他2種材料具有更佳的耐磨性能。

圖6 高載低速條件下PTFE材料的磨損量

在負荷3 N，頻率2.0 Hz，線速度0.02 m/s條件下，3種材料的摩擦磨損性能對比見圖7。從圖7發(fā)現(xiàn)，隨著相互運動距離的增長，3種材料的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)逐漸增加的走勢，并且最終均達到了相對穩(wěn)定狀態(tài)。這表明，在此試驗條件下，3 600 s的滑動時間內(nèi)，材料的摩擦熱完全達到穩(wěn)定狀態(tài)，其中705材料的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)相對最高；1403材料的摩擦系數(shù)相對其他兩種材料最低；從材料的體積磨損中可以發(fā)現(xiàn)(見圖8)，LR05的呈現(xiàn)中相對最低的耐磨性；1403材料具有更佳的耐磨性能。

圖7 低載高速條件PTFE材料摩擦性能

圖8 低載高速條件下PTFE材料的磨損量

通過兩種試驗工況的對比，可以看出載荷和速度對3種材料摩擦磨損性能方面的影響。隨著載荷的增大，材料由于變形導(dǎo)致摩擦副的接觸面積不斷增大，因此導(dǎo)致了摩擦力的增加，材料受到往復(fù)滑動的剪切作用應(yīng)力增大，導(dǎo)致表面磨損逐漸劇烈，因此磨損量逐漸增大。而由于滑動速度的增大，導(dǎo)致摩擦熱的劇烈上升，從而會導(dǎo)致材料摩擦表面的積聚熱量無法得到釋放與平衡。因此，材料表面受到高溫環(huán)境下的剪切作用導(dǎo)致材料磨損加大。所以高性能斯特林機密封材料，若要保證密封材料在高速度工況條件下密封材料的高性能和有效性，不僅需要從摩擦學角度考慮降低其摩擦系數(shù)，材料的抗承載能力和高承載作用下材料的耐磨損性能是對設(shè)計密封材料所要關(guān)注的重點，還需要進一步考慮材料在高溫環(huán)境下材料的潤滑與耐磨損能力，在高溫環(huán)境下材料具有較小的變形能力，選擇高速工況條件下摩擦溫度上升幅度較小的材料。實現(xiàn)斯特林機密封裝置良好的密封性能、較低的摩擦功耗以及較長的使用壽命。

3 結(jié)論

針對斯特林機密封部件用PTFE復(fù)合材料，試驗分析了BELDAM CROSSLEY公司生產(chǎn)的Crossflon LR、Crossflon 1403、Crossflon705這3種材料在低載高速條件和高載低速兩種工況下的摩擦磨損性能。以試驗結(jié)果作為密封部件材料選擇的依據(jù)，發(fā)現(xiàn)Crossflon LR、Crossflon705PTFE材料的高溫耐磨性有待于進一步提高，潤滑性能不能滿足要求；Crossflon 1403的摩擦系數(shù)相對其他兩種材料最低，具有更佳的耐磨性能。由于實驗所用的摩擦試驗機是通用實驗儀器，不能實現(xiàn)斯特林發(fā)動機運行時復(fù)雜且多變的工況條件。因此，有必要在后續(xù)研究中對復(fù)合材料在復(fù)雜的、持續(xù)變化的、更接近斯特林發(fā)動機實際運行的工況條件下進行實驗。