王天瑞 丁雪興 陸俊杰 張 煒
(1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院;2.浙大寧波理工學(xué)院機(jī)電與能源工程學(xué)院)
為了滿足高參數(shù)通信裝置的冷卻要求,通常將傳統(tǒng)風(fēng)冷裝置升級(jí)改造為液冷裝置,其中液冷裝置內(nèi)的動(dòng)密封件決定了通信設(shè)備的冷卻效率。據(jù)統(tǒng)計(jì),在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,機(jī)械動(dòng)密封已達(dá)到全部通信裝置密封件的90%以上。 但是,隨著機(jī)械密封的使用工況和環(huán)境愈加苛刻,易造成機(jī)械密封摩擦副大面積損傷、磨損嚴(yán)重、泄漏量增大以及密封環(huán)工作壽命急劇縮短等問(wèn)題。 機(jī)械密封摩擦副的潤(rùn)滑狀態(tài)是它穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo),為提高潤(rùn)滑性能,Yang X 等通過(guò)建立三維熱彈流模型, 研究分析在混合潤(rùn)滑與全膜潤(rùn)滑的條件下,三角織構(gòu)對(duì)機(jī)械密封承載能力、泄漏量和摩擦性能的影響[1]。 為進(jìn)一步提高流體承載能力,Wang X Y 等應(yīng)用NSGA-Ⅱ算法進(jìn)一步優(yōu)化織構(gòu)形狀,得出相同泄漏率下承載能力最高的槽形[2]。 對(duì)于不同激光表面變形機(jī)械密封的流體潤(rùn)滑理論模型,學(xué)者們討論了織構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)密封性能的影響——織構(gòu)的方向可以顯著改善潤(rùn)滑效果,使密封開啟力提高20%以上[3~5]。 Yu Q P 等基于分形理論對(duì)機(jī)械密封摩擦磨損進(jìn)行建模,成功預(yù)測(cè)摩擦副壽命[6]。 Zhang G Y 等針對(duì)低黏度潤(rùn)滑火箭渦輪泵密封副壽命問(wèn)題,應(yīng)用銷盤式摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)加工的表面紋理確實(shí)有利于提高密封性能[7]。 Adjemout M 等將摩擦副進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)改性, 其溫升幅度相對(duì)較小,膜厚隨轉(zhuǎn)速先增大后變小[8]。 為了更好地測(cè)量機(jī)械密封的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),Maria C V 等對(duì)一種新型的機(jī)械密封旋轉(zhuǎn)環(huán)溫度無(wú)線遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了研制、安裝與應(yīng)用[9]。
目前,針對(duì)水鉸鏈機(jī)械密封的摩擦研究相對(duì)缺乏,而且雙向表面紋理耦合的硬對(duì)硬摩擦副的研究起步又晚, 嚴(yán)重制約高通率通信設(shè)備的研制。 筆者結(jié)合通信設(shè)備機(jī)械密封的服役環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)動(dòng)靜摩擦副進(jìn)行摩擦學(xué)性能研究;應(yīng)用冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡,探尋不同的工況、表面紋理和材料配對(duì)摩擦副的摩擦學(xué)性能變化及機(jī)理,為高參數(shù)通信裝置機(jī)械密封的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。
摩擦磨損試驗(yàn)中的摩擦副材料采用機(jī)械密封常用的石墨與碳化硅。 其中石墨與碳化硅組合稱為“軟對(duì)硬”,碳化硅與碳化硅組合稱為“硬對(duì)硬”[10]。
如圖1 所示,上試件由內(nèi)六角螺釘固定且隨軸一起旋轉(zhuǎn), 下試件與防轉(zhuǎn)銷連接保持靜止,織構(gòu)紋理形狀選等邊三角形(邊長(zhǎng)1 mm)[11]、橢圓形(長(zhǎng)半軸0.250 mm,短半軸0.125 mm)[12]和經(jīng)典螺旋槽。 試件的物性參數(shù)和織構(gòu)紋理幾何參數(shù)分別見表1、2。
圖1 試件結(jié)構(gòu)和織構(gòu)紋理示意圖
表1 試件的物性參數(shù)
表2 織構(gòu)紋理幾何參數(shù)
織構(gòu)的紋理通過(guò)精細(xì)化機(jī)械加工表面而成,直接影響其密封性能。 雖然已有很多手段可以實(shí)現(xiàn)摩擦副的表面改性[13~15],但激光加工[16]方法比較先進(jìn)且應(yīng)用廣泛。 本織構(gòu)的激光雕刻過(guò)程如下:
a. 將試件放入盛有丙酮的超聲波清洗機(jī)中清洗10 min,使試件表面保持清潔;
b. 將目標(biāo)圖案調(diào)為矢量格式并導(dǎo)入激光控制模塊;
c. 將試件置于光標(biāo)定位中心,調(diào)整激光參數(shù)進(jìn)行標(biāo)刻;
d. 對(duì)標(biāo)刻的試件重新進(jìn)行超聲清洗, 去除附著在表面的殘?jiān)?并通過(guò)烘干爐去除表面水分;
e. 采用ZYGO 白光干涉表面輪廓儀檢測(cè)織構(gòu)加工質(zhì)量,測(cè)量時(shí)隨機(jī)選取3 處測(cè)量糙度以確定底部加工的平均質(zhì)量,再隨機(jī)選取3 處測(cè)量深度(織構(gòu)表面若出現(xiàn)燒結(jié)、粗糙等缺陷時(shí),重復(fù)步驟c~e)。
激光加工織構(gòu)的底部質(zhì)量如圖2 所示,綜合考量粗糙度、加工速率和底部質(zhì)量,激光加工功率設(shè)定成最大值的40%為宜,此時(shí)填充的類型為回形、間距1 μm,掃描速度300 mm/s。
圖2 不同加工功率最大值的百分比時(shí)表面雕刻光滑度
為模擬機(jī)械密封實(shí)際工作狀態(tài),采用圖3 所示的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。 上夾具提供轉(zhuǎn)速;下夾具提供壓力。 下夾具連接拉力傳感器便于實(shí)時(shí)采集扭矩,同時(shí)在下夾具表面埋有熱電偶用于測(cè)量試件下表面的溫度, 經(jīng)換算可得實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)、摩擦力和表面溫升。 試件——摩擦副的配對(duì)方式和試驗(yàn)參數(shù)見表3。
圖3 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)
表3 試件配對(duì)方式和試驗(yàn)參數(shù)
(續(xù)表3)
摩擦磨損試驗(yàn)流程如下:
a. 獲取電鏡信息。將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的試件放入掃描電鏡設(shè)備,使之處于真空狀態(tài),尋找目標(biāo)光譜分析,調(diào)整放大倍數(shù),輸出圖片。
b. 稱重。 為保證測(cè)量結(jié)果的精確性,對(duì)試件進(jìn)行3 次稱重取平均值作為最終結(jié)果。
c. 對(duì)磨。 給試件表面噴涂一層潤(rùn)滑油WD40后,分別安裝在上、下夾具內(nèi)進(jìn)行試車;設(shè)定相應(yīng)的轉(zhuǎn)速和壓力,開始試驗(yàn),時(shí)長(zhǎng)為8 min。
需要說(shuō)明的是,試件經(jīng)清洗后,可重復(fù)以上步驟進(jìn)行多次試驗(yàn)。
2.1.1 摩擦系數(shù)
變工況下無(wú)紋理摩擦副實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)如圖4所示。 G1 組的摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加而減小(圖4a),但因微間隙流體潤(rùn)滑的作用,該變化趨勢(shì)會(huì)最終保持不變。 G2 組的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加而減小的同時(shí)振動(dòng)幅度也相應(yīng)變?。▓D4b),這是由于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生的磨屑均勻分布在接觸表面,石墨碎屑有自潤(rùn)滑的功能可使摩擦副運(yùn)行更加平穩(wěn),而且硬度較小的石墨可以通過(guò)微形變來(lái)減弱摩擦界面振動(dòng),從而證明石墨對(duì)碳化硅的摩擦性能優(yōu)于碳化硅對(duì)碳化硅的。對(duì)比圖4a、b發(fā)現(xiàn): 在同工況下G2 組摩擦系數(shù)均小于G1 組;兩組摩擦副都在300 r/min 時(shí)平穩(wěn)運(yùn)行程度最好。
圖4 無(wú)紋理摩擦副實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)
2.1.2 溫升與磨損量
摩擦副在運(yùn)行過(guò)程中的熱源主要源于端面摩擦熱和液膜攪拌熱[17]。 由圖5 可知,無(wú)紋理摩擦副溫升幅度隨轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),這是由于在轉(zhuǎn)速上升階段兩摩擦副單位時(shí)間內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)路徑變長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生更多的熱量。G1組在250 r/min 時(shí)溫升最大為9.9 ℃、在300 r/min時(shí)溫升最小為2.4 ℃(圖5a), 這是由于隨著轉(zhuǎn)速的增加,潤(rùn)滑狀態(tài)持續(xù)改善(300 r/min 時(shí)潤(rùn)滑狀態(tài)改善得最為明顯)。 G2 組在250 r/min 時(shí)溫升最大為12.3 ℃、 在300 r/min 時(shí)溫升最小為2.6 ℃(圖5b),均高于同工況下G1 組的溫升,說(shuō)明G1組在溫升方面優(yōu)于G2 組。
圖5 無(wú)紋理摩擦副溫升曲線
為了進(jìn)一步探究石墨磨損程度,經(jīng)運(yùn)行后對(duì)其磨損量進(jìn)行測(cè)量,石墨磨損程度隨轉(zhuǎn)速升高不斷加重 (250 r/min 時(shí)的磨損量為100 r/min 時(shí)的2.07 倍), 轉(zhuǎn)速達(dá)到300 r/min 時(shí)磨損量最低(圖6)。
圖6 不同轉(zhuǎn)速時(shí)石墨的磨損量
2.2.1 摩擦系數(shù)
紋理摩擦副的摩擦系數(shù)情況如圖7 所示,不同織構(gòu)對(duì)摩擦系數(shù)影響較大且在運(yùn)行過(guò)程產(chǎn)生的“振動(dòng)”差異化明顯。由圖7a 可見,A2 組平均摩擦系數(shù)為0.130,波動(dòng)最??;A1 組摩擦平均系數(shù)為0.060,波動(dòng)最大。 造成這種現(xiàn)象的原因是:橢圓織構(gòu)尺寸小、密度大,端面上均勻分布,旋轉(zhuǎn)過(guò)程易產(chǎn)生負(fù)壓吸入液體介質(zhì)導(dǎo)致油膜分布均勻使摩擦副穩(wěn)定運(yùn)行,但產(chǎn)生的承載力不足以進(jìn)一步減小摩擦系數(shù); 三角織構(gòu)的內(nèi)徑-外徑速度差導(dǎo)致外徑承載能力大于內(nèi)徑承載力,在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)易發(fā)生振動(dòng)。由圖7b 可見,B1 組平均摩擦系數(shù)為0.130,B2 組為0.042, 兩組摩擦副振動(dòng)幅度相似且較大,不同紋理對(duì)振幅影響較小。
圖7 紋理摩擦副實(shí)時(shí)摩擦系數(shù)
2.2.2 溫升與磨損量
紋理摩擦副溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖8所示??梢钥闯?,A1、A2、A3 組的溫升分別為4.1、12.3 、15.3 ℃(圖8a);B1、B2 組 的 溫 升 分 別 為11.1、3.8 ℃(圖8b)。 B2 組的溫升幅度為B1 組的34.23%,同時(shí)小于A1 組的溫升幅度。 B1 組與A3組的紋理同為螺旋槽, 但是溫升幅度為A3 組的72.55%。
圖8 紋理摩擦副溫升曲線
由圖9 可見,A3 組石墨磨損最大,A1 組的最小,僅為A3 組的48.48%,這說(shuō)明不同紋理對(duì)磨損量有較大影響。
圖9 不同紋理的石墨磨損量
磨損較為嚴(yán)重的石墨環(huán)形貌測(cè)試結(jié)果如圖10 所示。 由圖10a 可知,A1 組大部分表面磨損較輕, 但對(duì)偶件紋理尖角對(duì)應(yīng)的區(qū)域磨損較為嚴(yán)重,這是因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)具有三角形幾何特征的織構(gòu)會(huì)在尖角處聚集并儲(chǔ)存大量磨屑,動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)將這些磨屑逸出, 從而發(fā)生磨粒磨損。圖10b 為A2 組石墨環(huán)磨損后的表面形貌, 表面磨損較為嚴(yán)重,這是因?yàn)闄E圓形織構(gòu)的切削刃沿旋轉(zhuǎn)方向投影較短易發(fā)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致表層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大片剝落,其余部分為磨損較輕的犁溝區(qū)域[18]。 圖10c 為A3 組磨損后的表面形貌,磨損形式主要為黏著磨損,基體表面出現(xiàn)犁溝但未出現(xiàn)大片剝落,這是因?yàn)槁菪€的幾何特性能使摩擦副運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的石墨磨屑由外徑推送至內(nèi)徑,同時(shí)沿旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行周向遷移,這樣石墨磨屑可被均勻分布在摩擦界面, 避免產(chǎn)生嚴(yán)重的磨粒磨損。 另外,均勻分布的石墨磨屑又起到一定的潤(rùn)滑作用,此時(shí)合適的“切削”力度對(duì)摩擦性能有所提升。
圖10 試驗(yàn)后試件表面形貌
3.1 不同工況下,無(wú)紋理摩擦副G2 組(軟對(duì)硬)的摩擦系數(shù)普遍小于G1 組(硬對(duì)硬)的且運(yùn)行穩(wěn)定,但前者的磨損量和溫升均大于后者的。無(wú)紋理摩擦副主要是通過(guò)提高轉(zhuǎn)速來(lái)改善潤(rùn)滑狀態(tài)的,在轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí),摩擦副的摩擦系數(shù)很小且運(yùn)行平穩(wěn)。
3.2 有紋理摩擦副軟對(duì)硬組別中,三角形紋理摩擦副的摩擦性能最優(yōu),橢圓形紋理摩擦副的摩擦性能變差,這說(shuō)明不合適的紋理會(huì)導(dǎo)致摩擦副的摩擦性能下降; 有紋理摩擦副硬對(duì)硬組別中,雙面紋理摩擦副的摩擦性能優(yōu)于單面紋理摩擦副的,因而當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí),可用雙面紋理來(lái)改善摩擦副的潤(rùn)滑狀態(tài)。
3.3 石墨環(huán)對(duì)偶件紋理尖角處易產(chǎn)生應(yīng)力集中,同時(shí)在該處聚集的磨屑在排出時(shí)容易發(fā)生磨粒磨損現(xiàn)象,因而在加工紋理時(shí)應(yīng)對(duì)尖角進(jìn)行適當(dāng)修飾。