端面宽度对机械密封极限pcv(pressure×velocity)值的影响

2022-02-28周跃杰彭旭东江锦波孟祥铠

摩擦学学报 2022年1期

周跃杰,彭旭东,江锦波,孟祥铠,马艺

(浙江工业大学机械工程学院,浙江杭州 310032)

机械密封具有可靠性高、使用寿命长以及功率损失小等显著优点，被广泛应用于石油化工、航空航天、海洋船舶和核电等领域[1-2].机械密封端面通常由一对材料硬度不同的摩擦副组成，浸渍石墨和碳化硅因各自具有优异的物化性能，是分别用于制造摩擦副的典型静环和动环用材[3-4].浸呋喃树脂石墨的摩擦学特性和机械强度均优于未浸渍石墨，并且浸呋喃树脂石墨在摩擦表面可形成更加稳定的转移膜，能有效降低摩擦系数和磨损率[5-7].众多研究表明[8-9]，石墨和碳化硅配副较碳化硅和碳化硅配副表现出更优的摩擦与耐磨特性.因此，在本文中选取浸呋喃树脂石墨与微孔常压烧结碳化硅作为密封摩擦副.

pv(压力p×速度v)值是设计和评判机械密封的依据[10]，一对摩擦副构成的机械密封失效时可达到的最大pv值定义为该对摩擦副的极限pv值，极限pv值的提出是机械密封技术发展水平的重要标志.国内外众多学者研究发现[11-15]，石墨与硬质材料配副的摩擦学特性随工况参数pv值的变化而改变，并且密封在不同pv值下的失效机理各异，其中摩擦副在高pv值工况下运行往往稳定性较差.限定摩擦副的极限pv值是保障密封安全性和可靠性的关键.摩擦副的极限pv值主要受配对材料和几何结构两方面的影响[10]，其中端面宽度是机械密封基本结构参数之一，其数值大小是影响端面比压大小和端面摩擦学特性的重要因素.众多研究表明[16-18]，在一定程度上减小端面宽度有利于密封介质进入端面间隙形成液膜，改善摩擦副界面润滑状态，有效降低端面摩擦生热，并且较窄的端面具有更好的变工况适应能力.但仍未有研究表明端面宽度对极限pv值的影响机制.

不同的定义方式决定了机械密封极限pv值的不同含义，本文旨在研究机械密封失效时摩擦副端面比压与端面平均线速度的乘积-极限pcv值[10].与轴承极限pv值测试不同[19-22]，将摩擦温升或振动数值超限作为判断机械密封达到极限pcv值的依据不合理.然而，由于机械密封极限pcv值的研究报道较少，同时基于密封失效的判定存在磨损率突增[7,10,12]、摩擦生热突增[7,12]、材料热裂[14]和摩擦系数突增[7,23]等多种依据，尚未形成机械密封极限pcv值的统一测试方法，并且尚未揭示机械密封达到极限pcv值时的失效机理.因此，在本研究中采用定速度变载荷和变速度定载荷两种不同测试方法探讨端面宽度对机械密封极限pcv值的影响，以期获得不同变量因素对极限pcv值的影响规律，为机械密封的设计和延寿提供指导.

1 试验部分

1.1 试验设备

采用电液伺服PV摩擦试验机测试不同端面宽度机械密封的极限pcv值，其结构原理如图1所示.试验机包括机械密封试验腔、密封介质控温控压循环装置、伺服加载系统以及数据采集系统.

其中，机械密封试验腔包括腔体、摩擦副、旋转轴、静止轴和辅助密封等组成，旋转轴与动环直联并传递驱动力，旋转轴与腔体之间的密封依靠辅助机械密封实现，静止轴上安装有力加载装置、力传感器和扭矩传感器，与测试机械密封的静环连接，其与腔体之间的密封依靠唇形密封实现；密封介质控温控压循环装置由介质加热装置和隔膜泵组成，可为腔体提供一定温度和压力的密封介质；伺服加载系统可实现0～9 000 r/min无级变速，并可提供0～4 kN的端面法向载荷；数据采集系统用于对腔体介质温度和压力及密封性能参数信号的采集和处理.

1.2 关键参数测量

在整个试验过程中，安装在静止轴上的力传感器和扭矩传感器分别实时测量摩擦副的端面压力和摩擦扭矩，安装在腔体内壁与密封端面等高处的温度传感器实时测量密封介质温度，下面用于分析的各项测试参数均为不少于3次测量值的平均值.用扫描电子显微镜(SEM,FEI Quanta 200F)和三维激光形貌仪(3D-MLM,LEXT OLS5000)测量摩擦副试验前后的表面形貌.

1.3 测试方法

选用浸呋喃树脂石墨与微孔常压烧结碳化硅作为密封配对摩擦副.为研究端面宽度对极限pcv值的影响，依据国内外普通机械密封常用的端面宽度尺寸系列，选择五种端面宽度尺寸(2.5、3.0、3.5、4.0和4.5 mm)的石墨密封环开展试验.试验介质采用清水，并加热至80±2.5 ℃.摩擦副材料和试验介质的物理性质列于表1中.

试验前，用研磨机将石墨和碳化硅研磨至表面粗糙度Ra为0.08～0.12 μm，平面度研磨至约0.6 μm，在酒精中超声清洗5 min后用冷风吹干备用.分别用平面度仪、三维激光形貌仪和扫描电子显微镜测量摩擦副试验前的平面度、表面粗糙度和表面形貌.试验时，采用定速度变载荷(简称为PV法)和变速度定载荷(简称为VP法)两种测试方法，分别通过改变载荷和速度获得摩擦副的极限pcv值，比如：针对定速度变载荷测试方式选取3 000和6 000 r/min两种转速(对应的端面平均线速度值分别为7.84和15.68 m/s)，可分别定义为PV3000法和PV6000法.采用3 000 r/min转速下的定速度变载荷方法测试时，给予摩擦副0.5 MPa初始端面比压，试验开始后按180±20 N/min的加载速度提升端面载荷直至密封失效，记录采用PV3000法测试时密封失效对应的极限端面比压，定义为pc3000；采用变转速定载荷方式测试时，为了避免启动时端面摩擦扭矩过大导致电机过载，先在3 000 r/min转速下，将摩擦副端面比压由0.5 MPa提升至pc3000的0.75倍，再按210 r/min的增速线性提升转速直至密封失效，记录采用VP法测试时密封失效对应的端面平均线速度，定义为极限v值.将摩擦副端面摩擦系数发生突增作为密封失效判定依据.试验后，使用扫描电镜SEM和三维表面形貌仪3D-MLM测量摩擦副表面的磨损形貌.

2 结果与讨论

2.1 端面宽度对极限pcv值的影响

图2所示为由浸呋喃树脂石墨和微孔常压烧结碳化硅配对的五种端面宽度摩擦副分别采用PV3000法、PV6000法和VP法测得的极限pcv值以及密封失效时具体对应的极限pc值和极限v值.由图2(a)可知，三种测试方法测得的极限pcv值均随着端面宽度增加呈现下降趋势，并且图2(b)显示极限pc值和VP法测得的极限v值均表现出相同的变化趋势，此外VP法测得的极限v值介于PV3000法和PV6000法设定的摩擦线速度之间.采用PV3000法与VP法测得的极限pcv值差异不大，而采用PV6000法测得的极限pcv值明显大于这二者，从表面上看，转速增大有利于摩擦副达到更大的极限pcv值，其中端面宽度为2.5 mm的摩擦副采用PV6000法测试时极限pcv值达到了约78 MPa·m/s.然而，图2(b)显示PV6000法对应密封失效时的极限pc值均小于PV3000法.结果表明，给定速度6 000 r/min时对应摩擦副的极限pcv值相对于较低给定速度3 000 r/min时较高，极限pc值较低.值得注意的是，随着端面宽度增加，PV6000法测得的极限pcv值与PV3000法所测结果相比差值逐渐减小，由端面宽度为2.5 mm时的1.91倍降低至端面宽度为4.5 mm时的1.33倍.结合机械密封极限pcv值的定义式[10].

式中：ps为弹簧比压，单位为MPa；B为平衡系数；K为膜压系数(介质为水时通常取0.5)；Δp为端面内外侧压力差，单位为MPa；n为电机转速，单位为r/min；Di和Do分别为端面内外直径，单位为mm；dm为平衡直径，单位为mm；b为端面宽度，单位为mm.

Fig.2 The limit pcv values of mechanical seals with five different values of end-face width图2 五种端面宽度机械密封的极限pcv值

在本试验中，已知平衡直径为50 mm，通过对端面内外直径的设计，将平衡系数设定为0.5，以规避介质压力对端面比压的影响，因此端面摩擦副pcv值直接由加载装置提供的弹簧比压ps及电机转速n和端面尺寸获得.理论上，若采用PV3000法与PV6000法测试时要达到相同极限pc值，则PV6000法测得的极限pcv值为PV3000法的2倍.然而，从图2可看出，采用PV6000法测得的极限pcv值随端面宽度增加逐渐趋近于PV3000法所测值.据此推测，端面宽度增加将使摩擦副在较高速度条件下提前达到极限pcv值，结合转速对摩擦副摩擦学特性影响的研究[20-22,24]，将原因归结于宽端面摩擦副在高转速下的两个突出问题：高值摩擦生热及热量的不易散失，由此引发端面间液膜汽化，因此使摩擦副提前达到极限pcv值.

2.2 端面宽度对摩擦系数的影响

摩擦系数作为表征端面摩擦状态的重要参数，受到法向载荷、滑动速度和环境温度等工况条件的影响.掌握测试过程摩擦系数的变化对了解摩擦副的摩擦状态具有重要意义，在本试验中通过实时测量试验过程中摩擦副的端面载荷和摩擦扭矩换算得摩擦系数f.

式中：Mf表示端面摩擦扭矩，单位为N·m；A表示端面面积，单位为mm2.

图3(a)、(b)和(c)分别为五种端面宽度摩擦副采用PV3000法、PV6000法和VP法测试极限pcv值时的摩擦系数时变曲线.可以看出，在PV3000法和PV6000法测试过程中，五种端面宽度摩擦副的摩擦系数均表现出随端面比压增大而减小的趋势，并在摩擦副达到极限pcv值时发生突增.究其原因，机械密封摩擦副表面实际为非光滑表面，受载荷作用摩擦副产生挤压，粗糙凸峰相互接触或啮合，端面部分多数产生固体接触摩擦，端面间仅仅存在因微渗存在的很小局部流体膜，因此在密封启动瞬间，端面摩擦扭矩较大，表现为较大的摩擦系数；随着密封继续运行，接触粗糙凸峰发生变形或断裂，介质进入端面并对摩擦副产生润湿作用，引起摩擦系数的迅速降低.当端面载荷逐渐增大时，端面间的实际接触点和接触面积增加，端面接触应力减小，因此引起摩擦系数的下降.

Fig.3 Friction coefficient of mechanical seals with five different values of end-face width图3 五种端面宽度机械密封的摩擦系数

同时还看出，采用PV3000法测试时五种端面宽度摩擦副的摩擦系数在前150 s迅速下降，并于200 s之后保持在0.05～0.13的范围内且相对稳定，摩擦副处于混合摩擦状态，并且较窄端面摩擦副相比较宽端面摩擦副具有更大的摩擦系数，其原因与窄端面密封端面比压的加载速度较大有关[25].采用PV6000法测试时，五种端面宽度摩擦副的摩擦系数下降速度存在较大差异，较窄端面摩擦系数的下降速度比较宽端面缓慢.采用VP法测试，在试验前期，提升端面载荷的过程与PV3000法相似，摩擦系数也表现出相似的下降趋势，大约于200 s后处于相对稳定；在试验后期，固定端面载荷提升转速时摩擦系数未发生明显变化，直至摩擦副达到极限pcv值时发生突增，与Zhu[7]在干摩擦条件下获得的研究结果相似.图3(d)所示为不同测试方法下五种端面宽度摩擦副失效时的摩擦系数，在相同测试方法下，失效时的摩擦系数表现出随着端面宽度增加而增加的趋势，意味着使较宽端面摩擦副达到极限pcv值需要更高的端面摩擦扭矩；在相同端面宽度下，密封失效时的摩擦系数以PV6000法最大，PV3000法其次，而VP法最小.

2.3 端面宽度对密封介质温度的影响

在机械密封运行期间，密封介质温度将因主副密封摩擦副摩擦生热、搅拌生热和密封腔自然散热等因素综合影响而产生变化，对介质温度的测量可辅助判断密封是否出现故障.图4(a)、(b)和(c)分别为五种端面宽度摩擦副采用PV3000法、PV6000法和VP法三种不同测试方法测得的介质温度时变曲线.总体而言，在测试初期短时间内，介质温度均呈略降趋势，之后便呈现持续上升趋势，并且在相同测试方法中五种端面宽度摩擦副对应的介质温度变化趋势基本一致.究其原因，机械密封运行较短时间内，受密封部件搅拌和试验初期较低pcv值的影响，摩擦和搅拌生热量不及密封腔自然散热量，介质会与密封部件和腔体内壁产生充分热交换而导致介质温度略降；随着密封继续运行，受主副密封的端面摩擦热、搅拌生热和试验pcv值逐步提高的影响，摩擦和搅拌生热量超过密封腔自然散热量，介质温度逐渐升高，且升温幅度与pcv值成正比[15].

Fig.4 Sealing medium temperature varying with five different values of end-face width图4 五种端面宽度机械密封对密封介质温度的影响规律

图4(d)为五种端面宽度摩擦副在三种测试方法下达到极限pcv值时的介质温度.结果表明：在相同测试方法下，与较宽端面摩擦副相比，较窄端面摩擦副达到极限pcv值时的介质温度较高.其原因在于，介质易进入较窄端面摩擦副界面并易于形成较完整的表面膜，并且较窄端面摩擦副具有更好的散热能力，因此，需要更高的热量破坏较窄端面摩擦副的界面膜使密封失效，该热量可由端面摩擦生热或/和密封介质搅拌生热提供.

在相同端面宽度下，与PV3000法相比，采用PV6000法测试时的介质温度明显较高，结合图2(b)所示采用PV6000法测试时摩擦副达到极限pc值均小于PV3000法的结果，说明转速提高引起的高热量值导致摩擦副提前达到极限pcv值.当端面宽度相同时，采用PV3000法和VP法测得的极限pcv值和失效时的介质温度均比较接近，已知采用VP法测试时其对应端面比压为PV3000法测试时极限端面比压pc3 000的0.75倍；此外，图2(b)显示采用VP法测试时达到的极限端面平均线速度均大于PV3000法所测值，说明在较低端面载荷条件下，通过提高摩擦速度，增强摩擦和搅拌产热，提高摩擦副温度，也可使摩擦副达到极限pcv值.

2.4 端面宽度对磨损形貌的影响

为了揭示机械密封摩擦副极限pcv值测试过程的端面磨损机理，探究在不同测试方法下端面宽度对极限pcv值的影响机制，采用SEM和3D-MLM评估不同测试条件下端面的磨损形貌.由图2(a)可知，五种端面宽度摩擦副采用PV6000法测试时获得的极限pcv值差异最大，为了更清晰展现不同端面宽度对测试结果造成的影响，特选择PV6000法测试后的端面磨损形貌进行分析.

Fig.5 Wear morphology of graphite rings with five different values of end-face width by using PV6000 method before and after the test图5 石墨密封环试验前以及五种端面宽度石墨环运用PV6000法的磨损形貌

图5(a)所示为石墨密封环试验前的表面形貌，图5(b～f)分别示出了五种端面宽度石墨环的磨损表面形貌.可以看出，五种端面宽度石墨的磨损表面均可清晰地发现平行于滑动方向SD (sliding direction)的犁沟和大面积的材料脱落，主要磨损机制为磨粒磨损[7]和黏着磨损[23].在测试过程中，由于石墨磨损产生大量磨屑，较大的磨屑颗粒以及碳化硅表面的粗糙凸峰对石墨表面产生犁削作用，致使石墨环表面产生较多平行于滑动方向的犁沟.当端面载荷和摩擦热的综合作用达到一定程度时，两密封面发生短暂的“胶合”，表现为端面摩擦系数或摩擦扭矩的急剧上升.随着摩擦系数的急剧上升，产生了较大的剪切力，使石墨表层材料被局部剥离；当石墨表面的“胶合”区域发生局部脱落后，端面摩擦系数又瞬间降低.此外，采用PV6000法测试的五种端面宽度摩擦副的石墨环，其表面不仅因转速过高不易形成完整表面膜结构，而且磨损表面呈现出基本相同的磨损特征，说明五种端面宽度摩擦副达到极限pcv值时的失效机理是一致的.但是，不同端面宽度摩擦副测得的极限pcv值存在差异，其原因结合图3(d)和图4(d)分析可知，与较宽端面摩擦副相比，较窄端面摩擦副界面更容易形成局部流体润滑膜，不仅减摩抗磨效果明显，而且散热能力更强，因此较窄端面摩擦副需要更高参数工况以产生更严重的热力问题才能使密封失效.

相应地，采用PV6000法进行测试，碳化硅与五种端面宽度石墨配对运行后其表面形貌如图6所示.其中，图6(a)所示为碳化硅试验前的表面形貌，图6(b～f)分别为与五种端面宽度石墨配副时碳化硅的磨损形貌.由图6(b～f)可以看出，碳化硅表面有石墨转移层残留，值得注意的是，端面宽度越大，石墨转移层的分布面越广，结合图3(d)中摩擦系数随端面宽度增加而增加的规律，可知较宽端面摩擦副的摩擦状态比较窄端面摩擦副差，导致较宽端面摩擦副在达到极限pcv值时石墨与碳化硅的“胶合”作用更强，“胶合”面积更广，对应使石墨表面“胶合”部位被剥离需要更强的剪切作用，因此在密封失效时较宽端面摩擦副的摩擦系数也更大.

Fig.6 Wear morphology of silicon carbide rings paired with graphite rings with five different values of end-face width by using PV6 000 method before and after the test图6 试验前以及与五种端面宽度石墨配副的碳化硅运用PV6000法的磨损形貌

2.5 测试方法对磨损形貌的影响

采用PV3000法、PV6000法和VP法三种测试方法测得了不同端面宽度摩擦副的极限pcv值，但是三种方法测得的数值存在较大差异，为探究其原因，结合图2所示结果，选择极限pcv值差异最大的对应端面宽度为2.5 mm的摩擦副来进行分析.

针对端面宽度为2.5 mm的摩擦副机械密封，图7～9示出了分别采用PV3 000法、PV6 000法和VP法测试后的石墨表面磨损形貌.对比发现，相较于采用VP法试验后石墨磨损表面材料脱落区域呈散点状分布且整体性差的特点，采用PV3000法和PV6000法试验后的石墨磨损表面材料脱落程度更严重，形成的凹坑和断裂边界更明显，其主要原因在于：采用PV3000法和PV6000法测试时的端面法向载荷较大，对石墨表层更深的部位产生影响，因此结合图3(d)所示，依据PV3000法和PV6000法对应密封失效时的端面摩擦系数明显大于VP法的测试结果，可以推断摩擦状态的恶化使石墨材料受到了更严重的破坏.此外，由图8(a)可以看出，采用PV6000法测试后的石墨磨损表面存在起泡现象，究其原因，结合图4所示采用PV6000法测试时的介质温度明显高于采用PV3000法和VP法测试时的介质温度，可以推断过量的端面生热引起了石墨表面起泡[13,26]，并使石墨表层材料强度下降，导致其更容易被剥落.因此，采用PV6000法测试时可达到的极限pc值较PV3000法小，证实了图2(b)所示结果的合理性.

综上所述，采用定速度变载荷(PV)和变速度定载荷(VP)两种方法测试机械密封极限pcv值的失效机理相同，均表现为石墨表层材料在摩擦剪切作用下发生的剥落，但是相比于VP法，采用PV法获得密封失效的试验时间较短，对石墨材料破坏的严重程度和失效现象的明显程度更利于考查[21-22,24-25]；就两种PV法比较而言，PV3000法更适合于机械密封极限pcv值测试.