油氣混相回流泵送密封結(jié)構(gòu)啟動過程摩擦磨損性能試驗

李慶展 ，李雙喜 ，鄭 嬈 ，江 磊 ，曾 怡 ，朱明月

（1.中國兵器工業(yè)集團中兵智能創(chuàng)新研究院有限公司，北京 100072；2.北京化工大學流體密封技術(shù)研究中心，北京 100029；3.北京理工大學，北京 100081）

0 引言

航空發(fā)動機軸承腔油氣混相回流泵送密封（Oilgas mixed-phase reflux pumping seal，OG-RPS）結(jié)構(gòu)是一種基于油氣混相潤滑技術(shù)的高速非接觸式密封結(jié)構(gòu)，在正常工作時能實現(xiàn)零泄漏和動壓超滑，密封端面無摩擦磨損[1-2]。然而在密封啟動過程中，密封端面未開啟狀態(tài)時密封端面接觸摩擦，由于發(fā)動機軸承腔內(nèi)油氣混相介質(zhì)和密封端面螺旋槽的存在，該狀態(tài)下的摩擦狀態(tài)不同于干氣、液膜等全膜潤滑或者邊界摩擦的，當設(shè)計、選材或操作不當時，密封端面易發(fā)生磨損[3]，甚至失效[4]，研究其啟動過程中轉(zhuǎn)速變化和壓力變化等非穩(wěn)態(tài)危險工況下的摩擦學性能很有必要。

目前應(yīng)用在航空發(fā)動機軸承腔上的密封技術(shù)主要是浮環(huán)密封、刷式密封和機械密封，但是機械密封磨損嚴重[5]、壽命短，浮環(huán)密封和刷式密封的泄漏量大[6-8]，無法滿足航空發(fā)動機軸承腔高參數(shù)密封的要求。基于油氣混相潤滑技術(shù)的發(fā)動機軸承腔回流泵送密封摩擦性能的研究較少，但其他關(guān)于端面摩擦性能研究也有一定參考價值。國內(nèi)外學者研究發(fā)現(xiàn)合適的表面織構(gòu)能有效減少端面摩擦磨損[9-10]，降低端面溫升[11]，減少端面泄漏[12-13]，同時外加載荷和表面粗糙度[14-16]也對端面接觸狀態(tài)和密封性能影響較大。在摩擦副密封端面結(jié)構(gòu)方面，魏龍等[17]、丁雪興等[18-20]、馮秀等[21]分別研究了接觸式機械密封、螺旋槽干氣密封、螺旋槽液膜上游泵送密封的端面摩擦特性。在摩擦副材料方面，葛毅成等[22]研究了載荷對復(fù)合碳材料摩擦系數(shù)的影響；閆玉濤等[23]研究了石墨密封材料的高溫磨損性能；王振峰等[24]獲得了影響航天器高溫密封材料的基本性能參數(shù)；張鵬鵬等[25]采用銷盤試驗研究了液體火箭發(fā)動機銅基石墨材料在干摩擦和水潤滑條件下的摩擦磨損性能和磨損機理；彭旭東等[26]探究了干摩擦和油潤滑條件下，3 種國產(chǎn)典型浸酚醛樹脂石墨與SiC 陶瓷配對副的磨損形式。摩擦信號測量方面，聲發(fā)射無損監(jiān)測[27]和端面溫度監(jiān)測[28]是最常用的手段。這些研究都為航空發(fā)動機軸承腔回流泵送密封的研究提供了導(dǎo)向。

探究在密封啟動過程中低速運轉(zhuǎn)、低速加載密封端面的摩擦機理，選取摩擦性能較好的摩擦副材料組對對航空發(fā)動機軸承腔密封技術(shù)研究具有一定價值。本文針對摩擦副材料組對、摩擦副密封端面形式、啟動加載等方面，開展航空發(fā)動機軸承腔回流泵送密封摩擦性能試驗研究。

1 摩擦試驗概況

1.1 摩擦試驗臺

摩擦試驗臺如圖1 所示。摩擦試驗臺型號為Plint Tribology，是一種標準化多功能摩擦學性能測試系統(tǒng)，試驗過程中能監(jiān)測摩擦系數(shù)、摩擦溫度等參數(shù)。試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。針對回流泵送密封的摩擦副進行試驗，動環(huán)安裝在轉(zhuǎn)軸上，靜環(huán)固定在密封腔上，溫度傳感器監(jiān)測靜環(huán)密封端面摩擦溫度，介質(zhì)是通過油氣發(fā)生器產(chǎn)生的空氣和航空發(fā)動機軸承腔用Aero555 潤滑油的油氣混相介質(zhì)，潤滑油具體牌號為DOD-PRF-85734A，油氣混相介質(zhì)總量3.525 L，油氣體積比0.2，環(huán)境溫度15~20 ℃。轉(zhuǎn)速高時密封密封端面會開啟，形成非接觸，此處模擬低速啟動過程密封的摩擦磨損性能，轉(zhuǎn)速設(shè)置為低速2000 r/min，最高線速度5.3 m/s。Aero555潤滑油具有較好的熱和氧化穩(wěn)定性以及較好的承載能力，Aero555潤滑油物性和試驗操作參數(shù)見表1。

表1 Aero555潤滑油物性和試驗操作參數(shù)

圖1 Plint Tribology試驗臺

圖2 試驗裝置結(jié)構(gòu)

1.2 摩擦副

航空發(fā)動機軸承腔典型的摩擦副一般采用硬對軟組對原則。綜合考慮材料密度和強度，此處選擇典型的浸銻石墨和浸樹脂石墨作為軟環(huán)研究，選擇18Cr2Ni4WA 合 金 鋼、18Cr2Ni4WA 噴 涂Al2O3陶 瓷 和18Cr2Ni4WA噴涂Cr2O3陶瓷作為硬環(huán)研究，其中金屬基體+噴涂陶瓷的材料具有較好的強度、較硬的密封面和較好的導(dǎo)熱性能，18Cr2Ni4WA為航空發(fā)動機軸承腔機械密封原動環(huán)材料，材料屬性見表2，組對形式見表3。

表2 摩擦副材料屬性

表3 摩擦副材料組對形式

回流泵送密封結(jié)構(gòu)的密封端面加工螺旋槽，結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。為了更好地研究回流泵送密封的摩擦性能，與無槽摩擦副機械密封結(jié)構(gòu)對比分析。靜環(huán)實物如圖4 所示。螺旋槽參數(shù)見表4。

表4 螺旋槽結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3 密封端面螺旋槽結(jié)構(gòu)形式

圖4 靜環(huán)實物

2 試驗步驟

通過加速摩擦試驗和密封端面加載摩擦試驗?zāi)M密封啟動過程中的轉(zhuǎn)速變化和端面比壓變化。分6 組摩擦副材料組對依次進行，每組摩擦副材料組對分為有螺旋槽和無槽2 種密封端面形式，其中有螺旋槽密封為回流泵送密封結(jié)構(gòu)，無槽密封為機械密封結(jié)構(gòu)，啟動過程試驗步驟見表5。

表5 啟動過程試驗步驟

3 試驗結(jié)果分析

3.1 加速過程試驗

在回流泵送密封啟動過程中、低轉(zhuǎn)速情況下，密封端面接觸運轉(zhuǎn)，通過加速過程試驗?zāi)M回流泵送密封啟動升速過程。

3.1.1 摩擦系數(shù)分析

螺旋槽回流泵送密封端面摩擦系數(shù)比無槽機械密封端面的低，螺旋槽能有效提升摩擦副潤滑特性，降低摩擦系數(shù)。這是因為螺旋槽的存在能夠減小密封端面摩擦面積，并產(chǎn)生動壓效應(yīng)，提供2 次油源，從而大幅度降低密封端面摩擦系數(shù)。

M120K 對不同靜環(huán)摩擦系數(shù)的影響如圖5所示。從圖中可見，對于回流泵送密封而言，組對1和組對3密封端面摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大逐漸減小，這是因為螺旋槽能夠容納轉(zhuǎn)速增加過程中密封端面磨損產(chǎn)生的雜質(zhì)顆粒，從而阻止其持續(xù)破壞密封端面；組對5 密封端面摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大逐漸增大，這是因為金屬密封端面較軟，隨轉(zhuǎn)速增大容易發(fā)生磨損。對于無槽機械密封而言，3種組對密封端面摩擦系數(shù)都隨轉(zhuǎn)速增大逐漸增大，這是因為轉(zhuǎn)速增加過程中因密封端面磨損產(chǎn)生的磨粒持續(xù)破壞密封端面，導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大。

圖5 M120K對不同靜環(huán)摩擦系數(shù)的影響

不同材料組對回流泵送密封摩擦系數(shù)的影響差異較大，如圖6 所示。從圖中可見，硬環(huán)密封端面為噴涂陶瓷時的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大逐漸減小，硬環(huán)密封端面為金屬時的摩擦系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大逐漸增大，這是因為噴涂陶瓷密封端面較硬，抗磨損性能較好，金屬密封端面較軟，容易發(fā)生磨損。動環(huán)材料為M120K 時，噴涂Al2O3密封端面摩擦系數(shù)約為18Cr2Ni4WA 密封端面摩擦系數(shù)的24.91%~46.46%；動環(huán)材料為M120D 時，噴涂Al2O3密封端面摩擦系數(shù)約為18Cr2Ni4WA 密封端面摩擦系數(shù)的39.39%~70.39%。靜環(huán)材料為噴涂Al2O3時，M120K 摩擦系數(shù)約為M120D的摩擦系數(shù)的54.88%~61.66%；靜環(huán)材料為噴涂Cr2O3時，M120K 摩擦系數(shù)約為M120D 的摩擦系數(shù)的48.05%~55.96%。

圖6 不同材料組對回流泵送密封摩擦系數(shù)的影響

在整個加速試驗過程中M120K-噴涂Al2O3螺旋槽回流泵送密封摩擦系數(shù)最小。轉(zhuǎn)速為2000 r/min時，組對1 和組對3 摩擦副密封端面均可以獲得超低摩擦系數(shù)（COF<0.01），與無槽機械密封相比，回流泵送密封端面摩擦系數(shù)最高可降低73.02%。

3.1.2 摩擦溫度分析

摩擦副密封端面的溫升是由摩擦生熱引起的，螺旋槽在減小密封端面摩擦系數(shù)的同時有效降低了摩擦產(chǎn)生的能量損失和端面摩擦溫升，螺旋槽回流泵送密封端面摩擦溫升約為無槽機械密封端面摩擦溫升的36.59%~65.98%，最高可降低63.41%的溫升。螺旋槽回流泵送密封的摩擦溫升趨勢較小，噴涂Al2O3的密封端面摩擦溫升最小。相同端面形式下的噴涂陶瓷密封端面摩擦溫度和摩擦溫升相近，M120K 對不同靜環(huán)摩擦溫度的影響如圖7所示。

圖7 M120K對不同靜環(huán)摩擦溫度的影響

不同材料組對回流泵送密封端面摩擦溫度的影響差距顯著，如圖8 所示。噴涂陶瓷密封端面摩擦溫度變化趨勢和摩擦溫升相近，噴涂Al2O3密封端面摩擦溫升約為18Cr2Ni4WA 密封端面摩擦溫升的31.39%~49.45%；M120K 密封端面摩擦溫度變化趨勢和摩擦溫升都較小，靜環(huán)材料為噴涂陶瓷時，M120K密封端面摩擦溫升約為M120D 密封端面摩擦溫升的50.35%~58.76%，靜環(huán)材料為18Cr2Ni4WA 時，M120K密封端面摩擦溫升與M120D 密封端面摩擦溫升差距很小。整個加速試驗過程中，M120K-噴涂Al2O3回流泵送密封摩擦溫升最小。

圖8 不同材料組對回流泵送密封端面摩擦溫度的影響

3.2 加載過程試驗

通過加載過程試驗?zāi)M回流泵送密封啟動加壓過程中密封的端面比壓變化。

3.2.1 摩擦系數(shù)分析

所有材料組對的密封端面摩擦系數(shù)都隨載荷增大而減小，這是因為載荷的增大使密封端面接觸狀態(tài)變好，導(dǎo)致密封端面磨合程度更好。在相同端面形式下，噴涂陶瓷的密封端面摩擦系數(shù)差距很小，M120K對不同靜環(huán)密封摩擦系數(shù)的影響如圖9所示。

圖9 M120K對不同靜環(huán)密封摩擦系數(shù)的影響

不同材料組對回流泵送密封摩擦系數(shù)的影響如圖10 所示。回流泵送密封所有材料組對的密封端面摩擦系數(shù)都隨載荷增大而減小；硬環(huán)為噴涂Al2O3的密封端面摩擦系數(shù)最小，軟環(huán)為M120K 的密封端面摩擦系數(shù)最小。靜環(huán)材料為噴涂Cr2O3和18Cr2Ni4WA時，M120K 摩擦系數(shù)與M120D 摩擦系數(shù)在載荷增大前期相差較大，后期差距很小，靜環(huán)材料為噴涂Al2O3時，M120K 摩擦系數(shù)與M120D 摩擦系數(shù)差距始終很小，說明與不同動環(huán)材料組對時，噴涂Al2O3材料的密封端面磨合穩(wěn)定性較好。

圖10 不同材料組對回流泵送密封摩擦系數(shù)的影響

在整個加載試驗過程中M120K-噴涂Al2O3螺旋槽回流泵送密封摩擦系數(shù)最小。載荷為200 N 時，組對1和組對3摩擦副密封端面均可以獲得超低摩擦系數(shù)（COF<0.01），與無槽機械密封相比，回流泵送密封端面摩擦系數(shù)最高可降低54.19%。

3.2.2 摩擦溫度分析

在加載過程中，螺旋槽回流泵送密封端面摩擦溫度增大趨勢比無槽機械密封端面摩擦溫度增大趨勢小，螺旋槽回流泵送密封端面摩擦溫升約為無槽機械密封端面摩擦溫升的60.48%~68.85%，最高可降低39.52%的溫升。噴涂Al2O3的密封端面摩擦溫升最小。M120K對不同靜環(huán)摩擦溫度的影響如圖11所示。

圖11 M120K對不同靜環(huán)摩擦溫度的影響

對于回流泵送密封而言，噴涂Al2O3密封端面摩擦溫度變化趨勢和摩擦溫升都較小，噴涂Al2O3密封端面摩擦溫升約為18Cr2Ni4WA 密封端面摩擦溫升的45.82%~53.63%，約為噴涂Cr2O3密封端面摩擦溫升的71.15%~88.56%；M120K 密封端面摩擦溫度和摩擦溫升都較小。整個加載試驗過程中，M120K-噴涂Al2O3回流泵送密封摩擦溫升最小。不同材料組對回流泵送密封摩擦溫度的影響如圖12所示。

圖12 不同材料組對回流泵送密封摩擦溫度的影響

3.3 磨損情況

采用白光干涉儀測量啟動過程試驗后的密封端面粗糙度值和微觀形貌，結(jié)果見表6。從表中可見，試驗后有槽回流泵送密封端面粗糙度比無螺旋槽機械密封端面粗糙度小；動環(huán)材料中M120D 密封端面粗糙度比M120K 粗糙度小；靜環(huán)材料中噴涂Al2O3密封端面粗糙度最小。

表6 摩擦副粗糙度變化

由于M120K 密封端面硬度低，其密封端面磨損比M120D 略微嚴重，但粗糙度數(shù)值差距不大，三維形貌結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同動環(huán)的密封端面3維形貌

試驗后不同動環(huán)的密封端面SEM 如圖14 所示。從圖中可見，石墨因其多孔結(jié)構(gòu)和較差的機械性能容易發(fā)生磨損，磨損形式有材料剝落、塑性變形，其摩擦表面存在粗糙的磨損裂紋和磨屑。此外相比之下有槽密封的摩擦表面更平滑，其磨損程度較輕，這意味著螺旋槽具有一定的減摩作用。

圖14 不同動環(huán)的密封端面SEM

M120D 石 墨 與M120K 石 墨 的 磨 痕W4f 的XPS 價帶能區(qū)如圖15 所示。如圖7（a）所示，M120D 的擬合峰位置顯示了大量WO3（在34.5 ev 和36.7 ev 下），這是由于摩擦過程中WC（在31.8 ev 和33.9 ev 下）的氧化。相比之下，在M120K 摩擦磨損過程中，可以觀察到相對少量的WO3，這意味著浸樹脂與浸銻相比，不僅可以改善石墨的摩擦學性能，而且可以提高摩擦副的抗氧化性能。

圖15 不同動環(huán)的密封端面XPS

試驗后噴涂Al2O3和噴涂Cr2O3密封端面無明顯磨損，密封端面存在輕微粘附；18Cr2Ni4WA 密封端面磨損較嚴重，磨損形式為粘著磨損，密封端面粘附較多。這是因為噴涂Al2O3和噴涂Cr2O3密封端面硬度高，18Cr2Ni4WA 密封端面硬度低，18Cr2Ni4WA 密封端面更容易磨損，結(jié)果如圖16所示。

圖16 不同靜環(huán)的密封端面3維形貌

4 結(jié)論

（1）螺旋槽能夠減小密封端面摩擦面積、產(chǎn)生動壓效應(yīng)、提供2 次油源、容納磨損顆粒，從而有效提升摩擦副潤滑特性，減少表面磨損，大幅降低摩擦系數(shù)和摩擦溫升。

（2）表面噴涂陶瓷可使密封端面磨損程度輕，有效增大摩擦副表面硬度，提高摩擦副抗磨損性能。

（3）在適當工況下，M120K-噴涂Al2O3和M120K-噴涂Cr2O3，均可使回流泵送密封機構(gòu)獲得超低摩擦系數(shù)（COF<0.01）。

（4）在6 組材料組對中，M120K-噴涂Al2O3可使螺旋槽回流泵送密封機構(gòu)的摩擦系數(shù)、摩擦溫升和磨損程度最小。