高溫高速旋轉軸接觸式密封材料研制及其密封性能分析

陳杰

摘 要：本文對密封材料與結構進行設計，包括材料組份、成型工藝與結構等內容，并通過開展試驗，對密封材料的高溫高速性能進行檢測。試驗結果表明，線速度、溫度對材料磨損率具有較大影響，通過發動機工況適應性分析可知，在特定時間內，密封未出現明顯泄露。

關鍵詞：高溫高速旋轉軸;密封材料;密封性能

引言：在航空發動機研制中，密封材料的工作環境十分惡劣，常處于低溫、高溫、高速交變的環境下，密封表面經常因摩擦生熱、潤滑失效等因素影響，影響密封效果。為了滿足航空發動機在材料性能與結構方面的需求，應采取多種有效措施，探索增強規律與失效機理，為新材料設計提供借鑒與參考。

一、密封材料與結構設計

（一）材料組份設計

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℃的環境下開始分解，熔點為380℃，該材料的機械性能較強，未經過填充時拉伸強度便可超過100MPa，熱膨脹系數為2×10-5—3×10-5/k之間，在介電與耐輻射性方面具有較大優勢，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

將聚醚酰亞胺與復合材料的特點相結合，采用熱膜壓制作工藝，制作出試樣，在內部塞入填充物，按照質量百分比分別與PEI材料混合后，熱模壓成型，再燒結脫模，經過機械加工成為試驗所需的尺寸。

（三）結構設計

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

二、密封材料的高溫高速性能

（一）試驗裝置

電主軸利用變頻調速，由聯軸器帶動偶見圓盤與傳動箱，使其旋轉到制定轉速，將試樣固定在加載裝置中，利用彈簧進行加載，通過降低振動、軸系撓度等方式，使徑向力變化發生改變;將加熱管放入隔熱腔室內，利用溫控器進行控溫，發揮采集卡的作用，對測試中的振動信號、徑向力進行采集，并對信號進行處理后，將其傳入計算機中，人機界面采用Visual Basic語言編程，經過程序處理后，繪制出振動時間與徑向力的曲線，并對數據信息進行存儲。

（二）技術參數

在本次試驗中，主要裝置的技術參數如下，對于振動信號與徑向力，可利用數據采集卡進行采集，通過VB語音編程進行信號處理，并將處理結果以圖形的方式顯示出來，將實時數據進行存儲。

（1）試驗溫度為RT

（2）升溫速率范圍為20—50℃·min-1;

（3）負載范圍為0—50N之間;

（4）接觸線速度范圍為20—100m·s-1之間。

（三）磨損性能測試

在高溫高速狀態下，工作溫度對復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，利用正交表開展高溫高速磨損試驗。

（1）測試條件

在試驗過程中，采用自制試驗臺架，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，負載為10N，共計測試15min，工況為干摩擦。

（2）試驗方法

在本次試驗中，對不同的線速度下進行測試，分別在40m？s-1、60m？s-1、80m？s-1的狀態下，開展高溫正交試驗，利用電子天平計算磨損質量，天平精度為0.1mg;在試驗開始之前，將樣品用水砂紙進行打磨，試樣安裝后，不加載狀態下保溫20分鐘，每次配比測量2—3次，磨損率取均值，如若結果的差異過大，則需要重新測試[2]。

（3）試驗結果

通過試驗結果可知，在線速度為40m·s-1正交試驗中，隧道球形石墨含量的不斷增加，磨損率先低后增高，在15wt.%時達到最低值;隨著碳纖維含量的不斷增加，磨損率不斷提升;當試驗溫度不斷提升時，磨損率逐漸降低，當溫度升高至250℃時，磨損率降到最低。

在線速度為60m·s-1正交試驗中，隨著石墨含量的不斷增加，磨損率也逐漸增加;當碳纖維含量增加時，磨損率也隨之提升，當碳纖維含量低于10wt.%時，磨損率幾乎未發生改變;環境溫度與磨損率成正比，當溫度達到250℃時，磨損率達到最大值。

在線速度為80m·s-1正交試驗中，隨著石墨含量的不斷增加，磨損率也逐漸增加;當碳纖維含量增加時，磨損率先增加后下降，在15wt%時達到最低值;環境溫度與磨損率成反比，溫度升高的同時，磨損率反而下降，當溫度達到250℃時，磨損率的變化趨于平穩，很少發生明顯變化。

（四）密封件工況適應性

以某型號航空發動機為例，采用雙密封結構形式，在正式測試之前仔細檢查軸表面，禁止軸表面、倒角處出現毛刺，在密封件安裝時，應旋轉推進，唇口向油側密封件與旋轉的方向相反，空氣側與旋轉方向一致。壓力加載速率為0.1MPa·s-1，初始壓力值為0.3MPa。在發動機運行過程中，采用直接觀測法，在檢測范圍內未出現明顯泄露情況，經過6小時測試后，唇口直徑為 15.8mm，磨損深度為0.3mm，穩定運行模式下，以流體潤滑為主[3]。

三、結束語

綜上所述，通過本文研究可知，在較高攪拌速度下，可使原材料充分混合，通過開展磨損試驗，發現在150—300℃下，線速度、溫度對材料磨損率具有較大影響，測試模擬結果與發動機工況試驗結果相一致。

參考文獻：

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

[2]蔚利軍.高速高壓旋轉軸滑環式組合密封性能的研究[D]，南京南開大學，2014.

[3]徐仁泉，葉潤喜.水輪機密封材料的研制及其使用性能的考察[J].摩擦學學報，2019，9（4）.