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摘要:機(jī)械密封作為流體機(jī)械重要的組成部分,是保證機(jī)械正常運(yùn)行的關(guān)鍵。文章以高分子材料為主要研究對(duì)象,對(duì)新材料在機(jī)械密封環(huán)節(jié)的使用情況進(jìn)行分析,對(duì)高分子材料機(jī)械密封磨損特征以及磨損受機(jī)械密封表面織構(gòu)的影響進(jìn)行總結(jié),認(rèn)為在機(jī)械表面與高分子材料長(zhǎng)期接觸狀態(tài)下,機(jī)械密封所使用的高分子材料彈性模量越小,則長(zhǎng)期接觸所產(chǎn)生的表面織構(gòu)變形越明顯、減磨效果越顯著。文章所得結(jié)論旨在為高分子材料在機(jī)械密封裝置加工領(lǐng)域提供理論與技術(shù)指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞:機(jī)械密封,膨脹石墨,氧化鋁陶瓷,聚四氟乙烯
機(jī)械密封是指由至少一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸線端面在流體壓力和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)彈力(或磁力)的作用下以及輔助密封的配合下保持貼合且相對(duì)滑動(dòng)所構(gòu)成的防止流體泄漏的裝置[1]。隨著現(xiàn)代材料科學(xué)的不斷發(fā)展,適用于機(jī)械密封設(shè)計(jì)、制造等環(huán)節(jié)的新型高分子材料越來越多。同時(shí),新材料、新工藝、新技術(shù)的出現(xiàn)也為機(jī)械密封設(shè)計(jì)、加工、工作情況全壽命監(jiān)控帶來了挑戰(zhàn)。為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的密封效果,必須使密封斷面與彈性元件緊密貼合,并通過材料的選用滿足密封過程中良好的摩擦效果[2]。金屬材料與高分材料組成機(jī)械密封是現(xiàn)代比較常見的機(jī)械密封環(huán)境,但由于密封面的磨損導(dǎo)致位移的出現(xiàn)問題逐漸成為工業(yè)領(lǐng)域設(shè)備零件壽命縮短、可靠性不佳的重要誘因。為有效解決該問題,可通過流體靜、動(dòng)使密封端面形成完成的流體膜,以此來降低磨損效果,減小摩擦,該密封方式利用表面織構(gòu)化為密封端面提供了流體壓力,是推動(dòng)流體膜形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也逐漸成為今后機(jī)械密封的主要發(fā)展方向。
1機(jī)械密封常用材料
1.1石墨
石墨具有耐腐蝕性強(qiáng)、自潤(rùn)滑性優(yōu)良、摩擦系數(shù)小以及耐熱沖擊性能好等優(yōu)勢(shì),同時(shí)石墨是一種極易加工的材料,在機(jī)械密封領(lǐng)域具有較高的天然優(yōu)勢(shì)。然而,石墨機(jī)械強(qiáng)度低、存在空隙等劣勢(shì)需要進(jìn)行浸漬和摻碳等方法進(jìn)行優(yōu)化。膨脹石墨切割墊片是當(dāng)前石墨材料在機(jī)械密封領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的材料之一,該材料不含粘結(jié)劑和填充物,因而較一般石墨材料或高分子材料具有跟高的純度、耐高低溫性能、壓縮回彈性能以及強(qiáng)度,被廣泛應(yīng)用于低壓部位的密封,在防止石墨與法蘭之間出現(xiàn)電化腐蝕現(xiàn)象具有較高價(jià)值[3]。膨脹石墨切割墊片使用溫度約為-200℃~800℃;使用壓力約20MPa;最大加工尺寸一般不超過1500mm。
1.2陶瓷
陶瓷的主要性能優(yōu)勢(shì),在于耐腐蝕性強(qiáng)、硬度高以及耐磨性好,劣勢(shì)則主要在于陶瓷本身脆性較大且加工難度較高。在機(jī)械密封領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的陶瓷材料是氧化鋁陶瓷。氧化鋁陶瓷具有較高的傳導(dǎo)性、機(jī)械強(qiáng)度和耐高溫性,多被應(yīng)用于存在腐蝕性中介以及中低速的機(jī)械密封場(chǎng)合。氧化鋁陶瓷機(jī)械密封件莫氏硬度約9左右;常溫耐壓強(qiáng)度不低于250MPa;常溫抗折強(qiáng)度不低于260MPa;最高使用溫度不低于1600℃。
1.3高分子材料
高分子材料是當(dāng)前機(jī)械密封零部件加工領(lǐng)域應(yīng)用前景最為廣泛的材料之一,包括超高分子量聚乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚甲醛、聚四氟乙烯等在內(nèi)的高分子材料逐漸成為航空、航海領(lǐng)域機(jī)械密封零部件加工的主要材料[4]。以聚四氟乙烯為例。聚四氟乙烯是由四氟乙烯經(jīng)聚合而成的高分子化合物,具備高耐腐蝕性、密封性等特征,同時(shí)聚四氟乙烯加工支撐的機(jī)械密封器件具有高潤(rùn)滑、電絕緣性好以及優(yōu)良的抗老化能力,可廣泛適用于各種腐蝕介質(zhì)機(jī)械密封場(chǎng)合。但其彈性劣于橡膠,易產(chǎn)生永久變形,缺點(diǎn)較為明顯。聚四氟乙烯機(jī)械密封件常使用溫度-240℃~260℃(短時(shí)可達(dá)315℃);使用壓力不高于40bar;pH值范圍0~14;常用加工尺寸有5×3~5mm、10×3~5mm、15×3~5mm、20×3~5mm、25×3~5mm、30×3~5mm、35×3~5mm、40×3~5mm、45×3~5mm、50×3~5mm、60×3~5mm。為提高工業(yè)領(lǐng)域密封部件的壽命和可靠性,學(xué)者們選用多種不同種類高分子材料,分別與相同金屬織構(gòu)化材料組成摩擦副,用以對(duì)不同高分子材料機(jī)械密封的磨損特征以及磨損對(duì)密封件表面織構(gòu)的影響進(jìn)行分析。本文所選5種不同性能的高分子材料,分別為超高分子量聚乙烯(Ⅰ)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(Ⅱ)、聚甲醛(Ⅲ)、聚己二酰己二胺(Ⅳ)和聚醚醚酮(Ⅴ),各材料硬度、密度以及彈性模量性能指標(biāo)見表1。這些材料在規(guī)定時(shí)間內(nèi),因性能差異問題,所以致使與不銹鋼試件其磨損率和磨損面積均不相同。
2高分子機(jī)械密封磨損特征
2.1常見高分子機(jī)械密封基本結(jié)構(gòu)
高分子機(jī)械密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多樣,包含緊固件、防轉(zhuǎn)件、傳動(dòng)件、彈性元件、輔助密封以及斷面密封均屬其基本元件[3]。機(jī)械密封中端面貼合緊密程度需要借助動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的耐磨性和靈活性提升,來實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)生縫隙及封面磨損更好的貼合;彈簧、膈膜以及波紋管則充分發(fā)揮自身的緩沖作用,并使其維持一定的彈性慣性,但彈性元件材料的選用多以耐腐蝕材料為主;傳動(dòng)環(huán)、傳動(dòng)座以及其他傳動(dòng)零件主要是給動(dòng)環(huán)傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩;緊固件則保持動(dòng)環(huán)、靜環(huán)定位緊固的作用,并要求緊固件在重復(fù)利用和拆卸方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì);防轉(zhuǎn)件則是為了防止動(dòng)環(huán)和靜環(huán)在運(yùn)行時(shí),出現(xiàn)脫件現(xiàn)象,該件要求有一定的耐腐蝕性,且有足夠長(zhǎng)度。
2.2高分子機(jī)械密封摩擦系數(shù)影響因子
摩擦系數(shù)是高分子機(jī)械密封中摩擦功耗和沖洗量的重要體現(xiàn),也是計(jì)算熱變形和傳熱的主要參數(shù),在機(jī)械密封磨損情況分析中占據(jù)主要位置。該摩擦系數(shù)與密封系數(shù)的結(jié)合共同構(gòu)建了摩擦學(xué)特征,即Strellebeckcurve(斯屈列貝克曲線)[5-7]。機(jī)械密封的摩擦狀態(tài)通過使用該方法來進(jìn)行判斷,并以此來對(duì)系數(shù)較小的機(jī)械特性進(jìn)行估計(jì)。隨著時(shí)間推移,機(jī)械密封系數(shù)也會(huì)逐漸發(fā)生變化,其摩擦狀態(tài)與環(huán)境溫度、密封結(jié)構(gòu)以及壓力的大小均有直接關(guān)系。圖1所示為影響高分子機(jī)械密封摩擦系數(shù)的因素。摩擦系數(shù)的變化會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化,而系數(shù)降低的主要原因是機(jī)械實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中磨合所致[8-10]。在不同的摩擦狀態(tài)下,摩擦系數(shù)與荷載沒有直接關(guān)系,但周速的變化會(huì)使摩擦系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的升高的降低。而機(jī)械表面溫度因使用的高分子材料性能的不同,導(dǎo)致引起的摩擦系數(shù)存在一定差異。機(jī)械表面的波度、粗糙度對(duì)高分子材料摩擦系數(shù)有著很大的影響,其中組成摩擦副性能的材料在密封過程中不容忽視。高分子材料的粘稠度、重度都會(huì)對(duì)密封端面的摩擦力和摩擦狀態(tài)產(chǎn)生一定影響,除此以外,溫度及壓力因素對(duì)摩擦系數(shù)的影響也很大。
3高分子機(jī)械密封磨損受表面織構(gòu)的影響
趙帥等(2015)[11]針對(duì)不同高分子材料與316不銹鋼機(jī)械密封磨損特性及磨損對(duì)表面織構(gòu)的影響進(jìn)行分析,得到了表1中不同高分子材料與不同參數(shù)織構(gòu)化316不銹鋼在載荷280N、轉(zhuǎn)速200r/min、表面織構(gòu)凹坑直徑(100、200μm)、單位時(shí)間(12h)等條件下的磨損量(即磨損率)變化情況。
3.1表面織構(gòu)磨損率分析
Ⅰ在凹坑直徑為100μm時(shí),經(jīng)表面織構(gòu)的引入引起了強(qiáng)烈的增磨作用,面積的增大連帶著磨損率的提升;若直徑為200μm,則磨損率為先減小后續(xù)增大趨勢(shì)。Ⅱ和不同參與表面織構(gòu)化的不銹鋼磨損率,其磨損面積與凹坑直徑有一定聯(lián)系。假設(shè)凹坑直徑分別為200μm、100μm、受損面積為30%和10%左右時(shí),通過30%面積率可凸顯其減磨效果。但是對(duì)于無織構(gòu)表面,當(dāng)凹坑直徑為100μm時(shí),該磨損率隨著面積的變大而升高;當(dāng)凹坑直徑設(shè)置為200μm時(shí),磨損率呈先增大后減小的趨勢(shì)。Ⅲ與Ⅰ、Ⅱ相比較,彈性模量偏高,硬度及密度無明顯差異,因彈性模量的增大,導(dǎo)致磨損率呈先降低后增高的現(xiàn)象。充分體現(xiàn)了不同參數(shù)表面織構(gòu)的引入不僅可以有效地降低磨損率,還凸顯了織構(gòu)表面的減磨效果,尤其是當(dāng)表面織構(gòu)面積率在30%以內(nèi),減磨效果呈最佳狀態(tài)。同時(shí),磨損率也有了一定程度的下降。Ⅳ的彈性模量是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等高分子材料的2~3倍。由于不同參數(shù)織構(gòu)化不銹鋼磨損試驗(yàn)?zāi)p率不同,充分體現(xiàn)了磨損率降低與表面組織引入有直接關(guān)系。在凹坑直徑分別為100μm和200μm時(shí),磨損率均出現(xiàn)先小后大的趨勢(shì),而面積率也隨之升高。當(dāng)凹坑直徑為200μm、面積率為20%,此時(shí)不銹鋼磨損試件的減磨效果最優(yōu)。Ⅴ與316不銹鋼不同參數(shù)織構(gòu)化磨損試件表面織構(gòu)的減磨效果十分明顯,尤其是當(dāng)凹坑直徑為100μm、受損面積為10%時(shí),磨損率與無織構(gòu)試件相比下降明顯。通過不同材料組成的摩擦副最優(yōu)減摩結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知,高分子材料中彈性模量的增加,使表面織構(gòu)的減磨效果愈加明顯。性能不同的高分子材料組成的摩擦副其減磨效果存在一定差異,尤其是彈性模量最低的材料,與316不銹鋼試件產(chǎn)生的摩擦副表面織構(gòu)磨損嚴(yán)重,磨損率也不斷上升。當(dāng)選用的高分子材料彈性模量升高時(shí),不僅縮小了磨損面積,還使磨損率有了一定程度的下降,其減磨效果非常優(yōu)越。
3.2高分子材料機(jī)械密封磨損受表面織構(gòu)影響結(jié)論
機(jī)械密封中磨損及摩擦系數(shù)的不斷增大,與表面織構(gòu)的引入有直接關(guān)系。在表面織構(gòu)參數(shù)相同環(huán)境下,高分子材料彈性模量會(huì)連帶磨損率的增大或減小。本文選用的316不銹鋼試件帶有凹坑,通過對(duì)凹坑直徑及單元邊長(zhǎng)來控制表面織構(gòu)的面積。因金屬表面凹坑對(duì)光面試件產(chǎn)生的切削作用,會(huì)伴隨著摩擦副運(yùn)動(dòng)使摩擦系數(shù)不斷增大。假設(shè)凹坑直徑分別為100μm和200μm時(shí),面積率控制在10%~40%之間,此時(shí)彈性模量的增加促使凸起高度明顯減下。由于Ⅰ的彈性模量最小,Ⅴ彈性模量較大,因彈性模量差異凸顯,故在相同參數(shù)表面織構(gòu)下,不銹鋼試件凸起高度的差值相差值大概在20倍左右。隨著凹坑直徑的不斷增加,致使凸起高度也隨著升高。當(dāng)彈性模量越小時(shí),凹坑直徑與凸起高度存在密切聯(lián)系。不銹鋼試件在摩擦過程中,表面織構(gòu)對(duì)于凸起變形會(huì)產(chǎn)生切削效應(yīng),而切削則直接導(dǎo)致摩擦系數(shù)迅速上升,并產(chǎn)生摩擦熱。表面織構(gòu)熱度的變化會(huì)使高分子材料逐漸軟化,加劇試件凸起變形的程度。假設(shè)切削作用造成的摩擦作用大于表面織構(gòu)減摩時(shí),此時(shí)摩擦率和摩擦系數(shù)的增加與整個(gè)表面織構(gòu)的整個(gè)摩擦過程有關(guān)。為了避免表面接觸變形和應(yīng)力集中引起的切削作用,需充分利用表面織構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化,同時(shí)還要與摩擦副材料進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。
4結(jié)語(yǔ)
在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程中,機(jī)械密封在汽液混合狀態(tài)下,很容易揮發(fā),導(dǎo)致密封工作處于不穩(wěn)定狀態(tài),難以成膜。為了保證工業(yè)生產(chǎn)的延續(xù)性,促使機(jī)械密封在穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行,故對(duì)表面織構(gòu)與高分子材料磨損特征進(jìn)行了分析。全文通過選用316不銹鋼不同參數(shù)織構(gòu)化試件進(jìn)行測(cè)試,分析其減磨效果、磨損性,同時(shí)根據(jù)各種高分子材料與無織構(gòu)組合的摩擦副所產(chǎn)生的磨損率進(jìn)行比較。凸顯了表面織構(gòu)對(duì)摩擦副摩擦學(xué)性能不利方面,會(huì)隨著材料彈性模量的增加微切削作用逐漸減弱。
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作者:張澤月 羅俊波 楊芳 孫強(qiáng) 易顯富 戢曉珊 單位:湖北省十堰市太和醫(yī)院附屬湖北醫(yī)藥學(xué)院