楊藝瀟 孫丹 蘭可心 趙歡 馮毓鐘 張杰一

摘要：刷絲與轉(zhuǎn)子涂層相互作用產(chǎn)生的摩擦熱效應(yīng)直接影響刷式密封的密封性能和使用壽命。分析了刷式密封摩擦副之間的摩擦熱效應(yīng)理論，設(shè)計(jì)搭建了刷式密封摩擦副摩擦熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)加工了6種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)與刷絲材料的刷式密封實(shí)驗(yàn)件和4種不同涂層材料的摩擦轉(zhuǎn)盤，實(shí)驗(yàn)研究了工況參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及不同摩擦副材料對(duì)刷式密封摩擦熱效應(yīng)的影響，通過對(duì)比分析刷式密封最高溫度以及磨損前后摩擦副的磨損形貌及磨損量，獲取了刷絲與轉(zhuǎn)子涂層材料的匹配性關(guān)系。研究結(jié)果表明：刷式密封最高溫度會(huì)隨著摩擦?xí)r長(zhǎng)的增加先迅速升高后趨于穩(wěn)定，隨著干涉量的增大而升高，干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm，刷絲平均最高溫升達(dá)39.96 ℃；最高溫度隨著刷絲束厚度的增加而升高，隨著后擋板保護(hù)高度的增大而降低；當(dāng)刷絲材料為鈷基高溫合金GH605時(shí)，最佳轉(zhuǎn)子涂層材料為WC，當(dāng)刷絲材料為鎳基高溫合金GH4169時(shí)，最佳轉(zhuǎn)子涂層材料為ZrO2，此兩種匹配材料能夠在相同工況下產(chǎn)生較低的摩擦熱量，且耐磨性能高于其他匹配材料。

關(guān)鍵詞：刷式密封；摩擦熱效應(yīng)；摩擦副；匹配性；干涉量

中圖分類號(hào)：V233.5

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.04.007

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Experimental Study of Matching of Brush Seal Friction Pairs Based on

Frictional Heating Effects

YANG Yixiao1? SUN Dan1? LAN Kexin1? ZHAO Huan1? FENG Yuzhong2? ZHANG Jieyi3，4

1.Liaoning Key Lab of Advanced Test Technology for Aerospace Propulsion System，School of

Aero-Engine，Shenyang Aerospace University，Shenyang，110136

2.AECC Guizhou Liyang Aviation Power Company Limited，Guiyang，550081

3.Shenyang Engine Research Institute，Aero Engine Corporation of China，Shenyang，110015

4.Key Laboratory for Power Transmission of Aero Engine，Aero Engine Corporation of China，

Shenyang，110115

Abstract： The frictional heating effects caused by the interaction between brush seal wire and rotor coating directly affected the sealing performance and service life of brush seals. The theory of frictional heating effects between brush seal frictional pairs was analyzed. The experimental device of frictional heating effects between brush seal frictional pairs was designed and built. Six brush seal experimental parts with different structural parameters and brush wire materials and four frictional turntables with different coating materials were designed and processed. The effects of working condition parameters， structural parameters and different frictional pair materials on the frictional heating effects of brush seals were studied experimentally. By comparing and analyzing the maximum temperature of brush seals and the wear morphology and wear amount of frictional pairs before and after wear， the matching relationship between brush wire and rotor coating material was obtained. The results show that the maximum temperature of brush seals increases rapidly and then tends to be stable with the increase of friction time， and increases with the increase of interference. When the interference increases from 0.3 mm to 0.4 mm， the average maximum temperature of brush wires rises to 39.96 ℃. The maximum temperature increases with the increase of the brush thickness and decreases with the increase

收稿日期：20230610

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（52075346，52375195）；遼寧省教育廳面上項(xiàng)目（LJKZ0179）

of the rear baffle protection height. When the brush wire material is cobaltbased superalloy GH605， the best rotor coating material is WC; when the brush wire material is nickelbased superalloy GH4169， the best rotor coating material is ZrO2.These two matching materials may produce lower friction heat under the same working conditions， and the wear resistance is higher than that of other matching materials.

Key words： brush seal; frictional heating effect; friction pair; matching; interference

0? 引言

先進(jìn)的密封技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)等透平機(jī)械中［1-3］，其中刷式密封作為一種具有優(yōu)良密封性能的接觸式動(dòng)密封，其泄漏量為迷宮密封的1/10～1/5［4］。為了保證刷式密封有較好的封嚴(yán)性能，一般刷絲束與轉(zhuǎn)子之間都是過盈安裝，為減少刷絲與轉(zhuǎn)子的磨損，在轉(zhuǎn)子跑道表面設(shè)置一定厚度的耐磨涂層，以延長(zhǎng)其使用壽命。實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，刷式密封刷絲與轉(zhuǎn)子涂層相互摩擦產(chǎn)生的摩擦熱效應(yīng)直接影響其封嚴(yán)性能和使用壽命［5］，因此，開展基于摩擦熱效應(yīng)的刷式密封刷絲與涂層材料摩擦副匹配性實(shí)驗(yàn)研究具有重要的學(xué)術(shù)意義與工程應(yīng)用價(jià)值。

密封摩擦副材料的選擇著重考慮材料的物理性質(zhì)與力學(xué)性能，如材料的熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)等。研究表明，摩擦熱效應(yīng)會(huì)使摩擦副間產(chǎn)生溫度梯度，從而引起刷絲與涂層材料熱變形，進(jìn)而加劇摩擦副的磨損，引發(fā)密封失效［6-7］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)刷式密封刷絲與轉(zhuǎn)子涂層材料摩擦磨損特性進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)刷絲材料應(yīng)具有高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)、高抗氧化性和低摩擦因數(shù)等屬性［8］，目前適于作刷絲材料的有鈷基高溫合金以及鎳基高溫合金。FELLENSTEIN等［9-12］設(shè)計(jì)搭建了一種利用一簇刷絲與轉(zhuǎn)子涂層進(jìn)行摩擦的實(shí)驗(yàn)裝置，用于檢測(cè)刷式密封摩擦學(xué)特性，同時(shí)對(duì)比分析了不同刷絲材料與涂層之間摩擦磨損的結(jié)果，分析得出，在涂層材料中加入固體潤(rùn)滑劑可以減小刷式密封在工作過程中對(duì)刷絲的磨損。ATKINSON等［7］通過大量長(zhǎng)期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適用于刷絲的材料有鈷基合金和鎳基合金兩類，適用于轉(zhuǎn)子表面涂層的材料有鉻基合金、鎢基合金、Al2O3陶瓷和ZrO2陶瓷，對(duì)比試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，摩擦副的密封性能受溫度的影響很大。DERBY等［13］通過實(shí)驗(yàn)研究了多種刷絲材料與轉(zhuǎn)子涂層材料間摩擦磨損特性，發(fā)現(xiàn)選擇合適的摩擦副材料可以減少摩擦總熱量和降低轉(zhuǎn)子在發(fā)生徑向偏移下的溫升，有利于提高刷式密封的性能。何立東等［14］和劉笑笑等［15］對(duì)現(xiàn)有刷絲與轉(zhuǎn)子間摩擦副的材料進(jìn)行了總結(jié)，指出適合作為刷絲的材料有鈷基或鎳基合金，適合作為轉(zhuǎn)子涂層材料有鎳基合金、Al2O3、ZrO2及某些陶瓷材料。李理科等［16］對(duì)刷式密封溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)刷絲端部長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)，加速了刷絲氧化，縮短了其使用壽命，提出在刷式密封的設(shè)計(jì)中應(yīng)著重考慮選擇合適的摩擦副材料。孫丹等［17］對(duì)刷式密封傳熱機(jī)理開展了研究，發(fā)現(xiàn)摩擦熱是影響刷式密封溫度分布的主要因素。牛少鵬［18］對(duì)轉(zhuǎn)子涂層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，研究了刷絲與涂層之間摩擦磨損性能。徐乙人等［5］利用高速試驗(yàn)機(jī)研究刷絲與轉(zhuǎn)子涂層之間的摩擦磨損行為，發(fā)現(xiàn)刷絲和轉(zhuǎn)子涂層之間高速摩擦產(chǎn)生大量的摩擦熱，使得刷絲尖端出現(xiàn)焊接黏連及氧化現(xiàn)象，降低了刷絲的耐磨性。綜上所述，刷絲與轉(zhuǎn)子涂層之間的摩擦熱效應(yīng)是影響刷式密封摩擦副匹配性的重要因素。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用熱電偶、紅外熱成像儀等多種測(cè)量裝置對(duì)刷式密封摩擦熱效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。HENDRICKS等［19］首先開展了刷式密封摩擦熱效應(yīng)的研究，并提出了摩擦熱量可以由刷絲與轉(zhuǎn)子之間的法向接觸力、摩擦因數(shù)和相對(duì)速度計(jì)算得出。RABEN等［20］采用熱電偶測(cè)量方法測(cè)量刷絲與轉(zhuǎn)子接觸表面的溫度分布，得到了溫度隨刷式密封運(yùn)行時(shí)間的變化曲線。PFEFFERLE等［21］將熱電偶安裝在轉(zhuǎn)盤上，測(cè)量了轉(zhuǎn)子表面的溫度分布。DEMIROGLU等［22］和FLOUROS等［23］利用紅外線溫度測(cè)試儀和熱成像儀測(cè)量得出刷絲與轉(zhuǎn)子間的溫度分布情況。DEVILLE等［24］通過實(shí)驗(yàn)獲得了過盈配合下刷絲束及轉(zhuǎn)子表面的溫度分布，發(fā)現(xiàn)高溫分布區(qū)主要集中于刷絲束頂部。RUGGIERO［25］利用一種光纖傳感器測(cè)量了刷絲束內(nèi)部的溫度和應(yīng)變。黃首清［26］提出了一種用纖維熱電偶測(cè)量刷絲尖端與轉(zhuǎn)子表面摩擦區(qū)域溫度分布的測(cè)量方法。吳施志等［27］對(duì)刷式密封裝置開展了全工況條件下摩擦生熱實(shí)驗(yàn)研究，得到不同壓差和不同轉(zhuǎn)速下刷式密封最高溫度分布規(guī)律，同時(shí)引入了剛度修正系數(shù)Ck，提高了工程計(jì)算精度。孫丹等［28］設(shè)計(jì)搭建了基于柱面圓周摩擦形式的刷式密封摩擦熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，并利用紅外熱成像儀監(jiān)測(cè)不同工況下刷式密封摩擦熱效應(yīng)熱成像圖。綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)刷式密封溫度分布開展了較多研究，但對(duì)刷式密封刷絲與涂層間摩擦熱效應(yīng)研究較少。

本文分析刷式密封摩擦副的摩擦熱效應(yīng)理論，設(shè)計(jì)搭建刷式密封摩擦副摩擦熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，應(yīng)用熱成像儀實(shí)驗(yàn)測(cè)試刷式密封摩擦副溫度分布特性，研究干涉量、轉(zhuǎn)速、刷絲束厚度以及后擋板保護(hù)高度對(duì)刷式密封摩擦熱效應(yīng)的影響，探究刷絲與轉(zhuǎn)子涂層材料摩擦副匹配性關(guān)系。

1? 刷式密封摩擦熱效應(yīng)理論分析

1.1? 刷式密封摩擦熱傳遞過程

在轉(zhuǎn)子高速轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，轉(zhuǎn)子與刷絲束間存在較大的相對(duì)速度，刷絲束與轉(zhuǎn)子涂層間的摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，形成一個(gè)高溫?zé)嵩?，高溫?zé)嵩磳?huì)通過熱傳導(dǎo)的形式將熱量傳遞給刷絲以及轉(zhuǎn)子，使刷絲的力學(xué)性能降低，同時(shí)也會(huì)影響涂層材料與基體材料之間的結(jié)合。圖1為刷式密封摩擦熱傳遞過程示意圖，可以看出，刷式密封摩擦副摩擦產(chǎn)生的熱量會(huì)以導(dǎo)熱的形式傳遞至刷絲與涂層表面，一部分熱量會(huì)沿著刷絲自由端傳遞至刷絲頂端焊接部位，一部分則會(huì)通過涂層材料導(dǎo)入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，并從轉(zhuǎn)子內(nèi)部將熱量傳遞至遠(yuǎn)端。在泄漏氣流的作用下，摩擦熱量與氣流之間存在對(duì)流換熱的過程，同時(shí)在刷絲束與前后擋板間也存在著復(fù)雜的對(duì)流換熱過程。

1.2? 刷絲與轉(zhuǎn)子間接觸力理論分析

刷式密封為周向旋轉(zhuǎn)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，每根刷絲的結(jié)構(gòu)均相同，通常在不考慮氣動(dòng)力引起的刷絲變形和刷絲之間相互作用的前提下將刷絲近似為懸臂梁［22］，典型刷絲受力分析如圖2所示。圖2中，yd為刷絲端部撓度；α為刷絲傾角；δr為刷絲束與轉(zhuǎn)子配合過盈量，即刷絲法向變形量；Fn為刷絲束法向接觸力；Ff為刷絲束摩擦力。

根據(jù)圖2中幾何關(guān)系可得單根刷絲的法向接觸力為［22］

Fn=3π64Ed4L3sin2αδr（1）

單根刷絲剛度為

kr=Fnδr=3π64Ed4L3sin2α（2）

式中，E為刷絲材料的彈性模量；d為刷絲直徑；L為刷絲自由長(zhǎng)度。

因此，具有一定厚度的刷絲束整體剛度為

Kr=Nkr（3）

式中，N為刷絲總根數(shù)。

1.3? 刷式密封摩擦熱量計(jì)算

依據(jù)摩擦力做功的原理，可以得到在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中刷絲與轉(zhuǎn)子涂層間的摩擦熱量Q，已知刷絲與轉(zhuǎn)子涂層之間的接觸面積，可以獲得刷絲與轉(zhuǎn)子涂層之間摩擦熱流量［18］ ：

q=QA=μFnvA=γfμKrδrvA（4）

式中，μ為摩擦因數(shù)；v為轉(zhuǎn)子表面線速度；μKrδr為由過盈配合引起作用在接觸表面的周向摩擦力；γf為摩擦力做功轉(zhuǎn)換為摩擦熱的比率；A為刷絲束與轉(zhuǎn)子接觸面積。

2? 刷式密封摩擦熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

2.1? 實(shí)驗(yàn)裝置

本文設(shè)計(jì)搭建的刷式密封摩擦熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。該實(shí)驗(yàn)裝置以一矩形鑄鐵方箱為基礎(chǔ)構(gòu)建，豎直放置于水平實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，動(dòng)力由一臺(tái)伺服電機(jī)提供，最大轉(zhuǎn)速為5000 r/min。伺服電機(jī)通過扭矩傳感器（量程范圍為0～20 N·m）與主軸連接，扭矩傳感器的作用是測(cè)量實(shí)驗(yàn)過程中刷絲與摩擦轉(zhuǎn)盤間的摩擦力扭矩。主軸頂端是一最小直徑為360 mm的摩擦轉(zhuǎn)盤，表面設(shè)置有不同直徑的階梯，提供刷式密封實(shí)驗(yàn)件所需的不同干涉量。刷式密封實(shí)驗(yàn)件通過一帶有特制凹槽的夾具安裝在三向可調(diào)刷式密封安裝座上，該安裝座包括兩個(gè)拉壓力傳感器（量程范圍為0～50 kg），用于測(cè)量刷式密封實(shí)驗(yàn)件刷絲與摩擦轉(zhuǎn)盤間的接觸力合力和摩擦力合力。利用相機(jī)架將紅外熱成像儀固定在階梯盤的正上方，通過調(diào)定焦距、范圍等參數(shù)監(jiān)測(cè)不同工況下的刷式密封摩擦熱效應(yīng)熱成像圖。紅外熱像儀可實(shí)時(shí)采集刷式密封摩擦磨損過程中的熱成像，將在不同時(shí)刻、不同干涉量下的刷絲溫度記錄并保存，在電腦中可對(duì)保存數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。

圖4為刷式密封摩擦熱效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。刷式密封實(shí)驗(yàn)件安裝在密封實(shí)驗(yàn)件夾具上，而刷式密封夾具又安裝在三向可調(diào)刷式密封安裝座上，如圖5所示。該安裝座可使刷式密封實(shí)驗(yàn)件的位置在X、Y、Z三個(gè)方向上進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先通過密封實(shí)驗(yàn)件夾具將刷式密封實(shí)驗(yàn)件固定，之后通過調(diào)節(jié)軸向滑座、徑向滑桿、切向滑桿使得刷式密封實(shí)驗(yàn)件可以與階梯盤的不同階梯相接觸，進(jìn)而使刷式密封實(shí)驗(yàn)件與階梯盤間產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的不同干涉量，最后啟動(dòng)伺服電機(jī)，記錄扭矩傳感器和兩個(gè)拉壓力傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2? 摩擦副實(shí)驗(yàn)件設(shè)計(jì)

圖6所示為本文刷式密封實(shí)驗(yàn)件主要結(jié)構(gòu)形式，主要有基本型、減小刷絲束厚度型、提高后擋板保護(hù)高度型。

表1所示為實(shí)驗(yàn)件結(jié)構(gòu)參數(shù)，不同型號(hào)實(shí)驗(yàn)件主要參數(shù)如表2所示。減小刷絲束厚度型與基本型的主要區(qū)別在于刷絲束厚度，分別減少0.2 mm與0.4 mm；提高后擋板保護(hù)高度型與基本型的主要區(qū)別在于后擋板保護(hù)高度，分別提高0.3 mm與1.0 mm。

圖7給出了4種涂層材料的摩擦轉(zhuǎn)盤，涂層材料分別為碳化鎢（WC）、氧化鋯（ZrO2）、氧化鉻（Cr2O3）、氧化鋁（Al2O3）。刷式密封實(shí)驗(yàn)件共加工了兩種刷絲材料，分別為鈷基高溫合金GH605與鎳基高溫合金GH4169?；?種涂層材料與兩種刷絲材料，開展基于摩擦熱效應(yīng)的摩擦副匹配性實(shí)驗(yàn)研究。

2.3? 實(shí)驗(yàn)方案

本文開展的基于摩擦熱效應(yīng)刷式密封摩擦副匹配性研究實(shí)驗(yàn)方案如圖8所示。刷式密封工況參數(shù)（摩擦?xí)r長(zhǎng)和干涉量）與結(jié)構(gòu)參數(shù)（刷絲厚度和后擋板保護(hù)高度）是直接影響刷式密封摩擦熱效應(yīng)的主要因素，摩擦副匹配性主要是通過選擇合適的刷絲材料與轉(zhuǎn)子涂層材料來(lái)減少摩擦生熱，減少摩擦熱效應(yīng)對(duì)摩擦副的影響，提高刷式密封的性能［13］，而摩擦熱效應(yīng)則是評(píng)價(jià)摩擦副匹配性的重要因素。摩擦熱效應(yīng)體現(xiàn)在刷式密封工作過程中的溫度分布，因此本文通過研究刷式密封的摩擦溫升以及最高溫度來(lái)分析摩擦熱效應(yīng)的影響。

為研究刷式密封摩擦副匹配性對(duì)摩擦熱效應(yīng)的影響，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，首先研究刷式密封工況參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦熱效應(yīng)的影響，選取一組摩擦熱效應(yīng)效果明顯的刷式密封實(shí)驗(yàn)件在特定的工況參數(shù)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3? 結(jié)果與討論

3.1? 工況參數(shù)對(duì)摩擦熱效應(yīng)的影響分析

3.1.1? 干涉量對(duì)摩擦熱效應(yīng)的影響

在轉(zhuǎn)速為2000 r/min，干涉量分別為0.4 mm與0.3 mm的條件下，鎳基合金材料GH4169與ZrO2涂層材料對(duì)摩2 h的刷式密封最高溫度隨摩擦?xí)r長(zhǎng)的變化如圖9所示。在前120 s，0.4 mm干涉量密封的平均溫升速率高于0.3 mm干涉量密封，分別為0.633 ℃/s、0.445 ℃/s；超過120 s后，0.3 mm干涉量密封溫度達(dá)到最大值，而0.4 mm干涉量密封溫度繼續(xù)升高，但平均溫升速率降低為0.207 ℃/s，降低了67.14%；當(dāng)最高溫度達(dá)到穩(wěn)定后，干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm，刷絲平均最高溫升達(dá)39.96 ℃。這是由于隨著干涉量的增大，刷絲與轉(zhuǎn)子涂層間的接觸力增大，刷絲與涂層間磨損加劇。

圖10為不同干涉量下刷絲尖端磨損形貌圖，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)件在經(jīng)過1 h的磨損后，干涉量為0.3 mm的刷式密封實(shí)驗(yàn)件刷絲尖端一部分劇烈磨損成亮銀色，其余部分仍保持最初的深色狀態(tài)，刷絲部分磨損；干涉量為0.4 mm的刷式密封實(shí)驗(yàn)件刷絲尖端絕大部分已經(jīng)被劇烈磨損成亮銀色，刷絲嚴(yán)重磨損。因此，干涉量增大，刷絲與轉(zhuǎn)子涂層間接觸力增大，溫度和磨損量均會(huì)增加。

3.1.2? 摩擦?xí)r長(zhǎng)對(duì)摩擦熱效應(yīng)的影響

刷式密封溫度熱成像圖見圖11，可以發(fā)現(xiàn)，刷式密封最高溫度主要集中于刷絲尖端，隨著摩擦?xí)r長(zhǎng)的增加，摩擦熱量不斷向轉(zhuǎn)子和刷絲固定端導(dǎo)熱與輻射換熱。

由圖9黑色曲線（干涉量0.4 mm）可以看出，在0～270 s里，刷式密封溫升速率特別快，隨著轉(zhuǎn)速?gòu)?逐步提高至2000 r/min，轉(zhuǎn)子涂層表面的線速度逐漸加大，導(dǎo)致刷絲與轉(zhuǎn)子涂層之間產(chǎn)生的摩擦熱量增多，引起了摩擦副間溫度迅速升高，溫升速率明顯增大；在270～4230 s里，溫度逐漸升高，最高溫度達(dá)到了131.51 ℃。在摩擦初期，刷絲與轉(zhuǎn)子涂層摩擦副間摩損劇烈，隨著摩擦?xí)r間的增長(zhǎng)，摩擦熱量不斷累積，摩擦熱量生成的速率大于其耗散的速率，致使溫度逐漸升高。刷式密封摩擦副在4230～7200 s內(nèi)溫度曲線平緩，先緩慢降低最終趨于穩(wěn)定。刷絲自由端與轉(zhuǎn)子涂層材料在前段摩擦?xí)r長(zhǎng)中已被大量磨損，從而導(dǎo)致刷絲與轉(zhuǎn)子涂層間接觸力減小，摩擦熱量也隨之減小，溫度逐漸降低。在5400 s之后，溫度穩(wěn)定在118.21 ℃左右，可以推斷出此時(shí)刷絲自由端與轉(zhuǎn)子涂層之間磨損量較小，溫升曲線圖變化趨于穩(wěn)定。

3.2? 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)摩擦熱效應(yīng)的影響分析

3.2.1? 刷絲束厚度對(duì)摩擦熱效應(yīng)的影響

在轉(zhuǎn)速為2000 r/min，干涉量為0.4 mm，鎳基合金材料GH4169與ZrO2涂層材料配合下，不同刷絲束厚度的刷式密封最高溫度隨摩擦?xí)r長(zhǎng)的變化如圖12所示。在前300 s，1.2 mm刷絲束厚度密封平均溫升速率高于1.0 mm與0.8 mm刷絲束厚度密封平均溫升速率，分別為0.395 ℃/s、0.303 ℃/s、0.262 ℃/s。當(dāng)溫度趨于穩(wěn)定后，發(fā)現(xiàn)刷絲束厚度越大，刷式密封達(dá)到的最高溫度越高。這是因?yàn)樗⒔z束厚度越大，刷絲與轉(zhuǎn)子涂層的接觸面積越大，從而提高了摩擦熱量生成的速率，使溫度升高；另外，刷絲束越厚，刷絲之間的相互作用力越大，從而增大了刷絲束的剛度，進(jìn)而增大了刷絲與轉(zhuǎn)子間的法向接觸力，使摩擦力增大，摩擦熱量增加，溫度升高。

3.2.2? 后擋板保護(hù)高度對(duì)摩擦熱效應(yīng)的影響

在轉(zhuǎn)速為2000 r/min，干涉量為0.4 mm，鎳基合金材料GH4169與ZrO2涂層材料配合下，不同后擋板保護(hù)高度的刷式密封最高溫度隨摩擦?xí)r長(zhǎng)的變化如圖13所示。三種不同后擋板保護(hù)高度的密封最高溫度隨著摩擦?xí)r長(zhǎng)的變化趨勢(shì)近似相同，不同之處在于，隨著后擋板保護(hù)高度的減小，刷式密封達(dá)到的最高溫度越高，達(dá)到最高溫度所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，后擋板保護(hù)高度越高，刷式密封的最高溫度越低。一是因?yàn)楹髶醢灞Ｗo(hù)高度越高，刷絲裸露的面積越大，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)引起的氣流與刷絲自由端摩擦產(chǎn)生的熱源之間進(jìn)行了對(duì)流換熱，帶走的熱量越多，熱量在刷絲束內(nèi)部的積累越少，引起了溫度的降低；二是由于滯后效應(yīng)的存在，后擋板與后排刷絲接觸存在摩擦力，導(dǎo)致刷絲在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中不能及時(shí)閉合，產(chǎn)生微小間隙，從而減小了刷絲自由端與轉(zhuǎn)子涂層材料之間的接觸力，使溫度降低。在同一轉(zhuǎn)速下，后擋板保護(hù)高度的越高，刷絲自由端與轉(zhuǎn)子涂層之間的切向位移越大，刷絲自由端與轉(zhuǎn)子涂層之間的接觸力越小，產(chǎn)生的摩擦熱越小，溫度降低。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，刷式密封干涉量越大，刷絲束厚度越大，后擋板保護(hù)高度越低，刷式密封摩擦熱效應(yīng)越強(qiáng)。為增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果，刷式密封摩擦副匹配性實(shí)驗(yàn)選擇干涉量為0.4 mm，刷絲束厚度為1.2 mm，后擋板保護(hù)高度為1.5 mm的BS01實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.3? 刷式密封摩擦副匹配性分析

在干涉量為0.4 mm，轉(zhuǎn)速為2000 r/min，實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ習(xí)r長(zhǎng)為1 h的條件下，鎳基刷絲（GH4169）和鈷基刷絲（GH605）分別與碳化鎢（WC）、氧化鋯（ZrO2）、氧化鉻（Cr2O3）、氧化鋁（Al2O3）4種涂層的摩擦轉(zhuǎn)盤進(jìn)行配合，利用紅外熱成像儀監(jiān)測(cè)刷式密封最高溫度，使用高清攝像機(jī)拍攝實(shí)驗(yàn)件磨損前后表面形貌圖，并利用高精度電子天平稱量刷式密封磨損前后的實(shí)驗(yàn)件質(zhì)量。

3.3.1? 鈷基刷絲與不同涂層材料匹配性分析

鈷基刷絲GH605與不同涂層材料的摩擦轉(zhuǎn)盤配合的摩擦溫度變化如圖14所示，磨損前后實(shí)驗(yàn)件質(zhì)量如表3所示，磨損前后形貌如圖15所示。由圖14可以看出，與Al2O3涂層配合下的最高溫度在0～900 s內(nèi)為最低，與ZrO2涂層配合下的最高溫度最高。隨著摩擦?xí)r長(zhǎng)的增大，刷絲與涂層發(fā)生磨損，磨損速率較快，溫度下降速度較快。而與Cr2O3涂層配合時(shí)，摩擦副持續(xù)高溫時(shí)間較長(zhǎng)，在1800s后溫度下降速度較快。且由表3發(fā)現(xiàn)，與ZrO2涂層配合的實(shí)驗(yàn)件磨損前后質(zhì)量增加了0.0332%，而與Cr2O3涂層配合的實(shí)驗(yàn)件磨損前后質(zhì)量?jī)H減少0.0028%。磨損后ZrO2材料表面存在較深的劃痕，如圖15所示，證明鈷基刷絲與Cr2O3配合時(shí)耐磨性能高于ZrO2材料。而在與Al2O3和WC涂層材料配合時(shí)，在同時(shí)刻下的溫度低于ZrO2材料、Cr2O3材料，且在1200s后，溫度變化不大，溫度持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，證明鈷基刷絲與WC涂層材料、Al2O3涂層材料配合的耐磨性能高于另外兩種涂層材料，因此應(yīng)優(yōu)先選擇Al2O3涂層材料、WC涂層材料與鈷基刷絲配合。

鈷基刷絲與Al2O3涂層材料配合時(shí)，在0～800s中的最高溫度低于WC涂層材料；在800 s后，Al2O3涂層材料溫度則升高，而WC涂層材料溫度有較小降低，變化速率低于Al2O3涂層材料，摩擦溫度持續(xù)穩(wěn)定在某一值附近，且在1200～3200 s內(nèi)溫度下降速度較低。與WC涂層配合的實(shí)驗(yàn)件磨損前后質(zhì)量增加了0.0045%，而與Al2O3涂層配合的實(shí)驗(yàn)件磨損前后質(zhì)量減少0.0083%，證明WC涂層材料在相同工況條件下與鈷基刷絲配合時(shí)的耐磨性能以及穩(wěn)定性高于Al2O3材料，因此當(dāng)刷絲材料選用鈷基高溫合金材料時(shí)，選擇WC材料作為涂層材料是最佳方案。

在刷絲尖端與涂層磨損的過程中，二者之間的磨損類型主要為黏著磨損［14，29］。刷絲尖端與涂層接觸表面微觀上是凹凸不平的，硬度低的材料會(huì)隨著黏結(jié)點(diǎn)破壞轉(zhuǎn)移到硬度高的材料上。刷絲與涂層材料發(fā)生黏著磨損后，造成刷式密封實(shí)驗(yàn)件質(zhì)量變化的原因有兩點(diǎn)：一是刷絲尖端與轉(zhuǎn)子涂層表面發(fā)生摩擦磨損，刷絲尖端產(chǎn)生磨損量，導(dǎo)致刷式密封件質(zhì)量減??；二是刷式密封摩擦副不同材料硬度存在差異，而硬度低的材料會(huì)隨著黏結(jié)點(diǎn)破壞轉(zhuǎn)移至硬度高的材料上。在磨損量與轉(zhuǎn)移量的共同作用下，刷式密封實(shí)驗(yàn)件發(fā)生質(zhì)量變化。

鈷基刷絲與WC、ZrO2涂層磨損后，實(shí)驗(yàn)件質(zhì)量增加，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因有：獲取不同刷絲材料與轉(zhuǎn)子涂層材料的洛氏硬度值［30］，鈷基刷絲材料硬度為50，高于WC以及ZrO2材料硬度，根據(jù)Archard黏著磨損原理，硬度更低的WC與ZrO2材料隨著黏結(jié)點(diǎn)破壞轉(zhuǎn)移到硬度更高的鈷基刷絲材料上，使得轉(zhuǎn)子涂層材料轉(zhuǎn)移量大于刷絲磨損量，因此出現(xiàn)正值磨損量。

3.3.2? 鎳基刷絲與不同涂層材料匹配性分析

鎳基刷絲GH4169與不同涂層材料的摩擦轉(zhuǎn)盤配合的摩擦溫度變化如圖16所示，磨損前后實(shí)驗(yàn)件質(zhì)量如表4所示，磨損前后形貌如圖17所示。鎳基刷絲與Al2O3涂層配合下最高溫度在0～1650 s為最低，溫度最高為Cr2O3涂層材料。

隨著摩擦?xí)r長(zhǎng)的增大，刷絲與轉(zhuǎn)子涂層發(fā)生磨損，與Cr2O3涂層材料、WC涂層材料配合的最高溫度在1650～3600 s中低于ZrO2涂層材料、Al2O3涂層材料，證明鎳基刷絲與Cr2O3涂層材料、WC涂層材料配合下的耐磨性能低于ZrO2涂層材料與Al2O3涂層材料，且0～1650 s內(nèi)的最高溫度高于ZrO2涂層材料與Al2O3涂層材料。因此應(yīng)該將鎳基刷絲-Al2O3涂層材料、鎳基刷絲-ZrO2涂層材料作為刷式密封摩擦副匹配性的優(yōu)先選擇。

鎳基刷絲與Al2O3涂層材料配合時(shí)，在0～1650s內(nèi)最高溫度低于ZrO2涂層材料，在1650～3000 s時(shí)，二者溫度相差不大，3000～3600 s內(nèi)，ZrO2涂層材料摩擦溫度顯著低于Al2O3涂層材料。由表4可知，與ZrO2涂層材料配合的實(shí)驗(yàn)件磨損前后質(zhì)量減小了0.0685%，與Cr2O3涂層材料配合的實(shí)驗(yàn)件磨損前后質(zhì)量減小0.0281%，磨損后Cr2O3涂層表面顏色變?yōu)樯詈谏?，且存在較深的溝壑，如圖17所示。證明鎳基刷絲與ZrO2涂層配合時(shí)的耐磨性能優(yōu)于Cr2O3涂層材料，因此最佳匹配性材料為鎳基刷絲-ZrO2涂層材料，該匹配材料能夠在相同工況條件下產(chǎn)生較低的摩擦熱量，溫升效果低于其他相匹配的材料，且耐磨性能高于其他相匹配的材料。

鎳基刷絲與4種涂層磨損后，實(shí)驗(yàn)件質(zhì)量均減小，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因有：鎳基刷絲材料硬度為45，低于4種涂層材料硬度，根據(jù)Archard黏著磨損原理，硬度更低的鎳基刷絲隨著黏結(jié)點(diǎn)破壞轉(zhuǎn)移到硬度更高的涂層材料上，刷絲材料轉(zhuǎn)移量與磨損量共同作用下，使得最終磨損量均為負(fù)值。

4? 結(jié)論

（1）刷式密封摩擦?xí)r的最高溫度會(huì)隨著摩擦?xí)r長(zhǎng)的增加先迅速升高，隨后由于刷絲自由端與轉(zhuǎn)子涂層材料的磨損，溫度降低并趨于穩(wěn)定。

（2）刷式密封的最高溫度會(huì)隨著干涉量的增大而升高，在本文工況下，干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm，刷絲平均最高溫升達(dá)39.96 ℃。

（3）刷式密封的最高溫度會(huì)隨著刷絲厚度的增大而增大，隨著后擋板保護(hù)高度的增大而減小。

（4）鈷基刷絲與WC涂層材料在鈷基高溫合金與4種涂層材料中匹配性最好；鎳基刷絲與ZrO2涂層材料在鎳基高溫合金與4種涂層材料中匹配性最好。在同一工況下，兩者在摩擦過程中產(chǎn)生較低的摩擦熱量，溫升效果低于其他匹配性材料，耐磨性能優(yōu)于其他匹配性材料。

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（編輯? 袁興玲）

作者簡(jiǎn)介：

楊藝瀟，男，1999年生，碩士研究生。研究方向?yàn)樗⑹矫芊饽Σ聊p特性。E-mail：sau_yixiao_yang@163.com。

孫? 丹（通信作者），男，1981年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)密封技術(shù)。E-mail：phd_sundan@163.com。