液壓驅(qū)動用1000mw傳動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)密封材料的研究

液壓驅(qū)動用1000mw傳動系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)密封材料的研究

0機(jī)械密封的應(yīng)用現(xiàn)代機(jī)械的重要發(fā)展方向之一是在較小的體積和空間上實現(xiàn)高密度能源。實現(xiàn)這一特點的有效途徑就是盡量提高轉(zhuǎn)速,在這樣的情況下,傳動系元件和密封元件的線速度都成倍提高。如果采用普通的密封件,例如橡膠及其他工程塑料高分子聚合物材料等,會因摩擦面產(chǎn)生高溫很快使材料燒毀,液壓控制系統(tǒng)就不能進(jìn)行正常有效的傳動控制,導(dǎo)致操縱失效,因此,只能采用機(jī)械密封。機(jī)械密封主要是端面機(jī)械密封,是一種依靠動環(huán)與靜環(huán)相配合形成摩擦副,并有彈性元件的壓力對動、靜環(huán)進(jìn)行壓緊,從而實現(xiàn)密封,例如目前廣泛應(yīng)用于深井泵的機(jī)械密封。摩擦副材料的力學(xué)性能、熱力學(xué)性能以及其他性能對機(jī)械密封性能和壽命至關(guān)重要。1密封副材料的研究高速高壓旋轉(zhuǎn)密封一直是密封領(lǐng)域的研究重點和難點。在高速高壓下摩擦副表面會瞬間產(chǎn)生高溫,普通的密封件如橡膠及其他工程塑料高分子聚合物材料等,高速高壓下因摩擦面產(chǎn)生高溫很快使材料燒毀。在這種情況下,只有采用機(jī)械密封。機(jī)械密封主要是端面機(jī)械密封,即旋轉(zhuǎn)環(huán)與靜止環(huán)的端面彼此貼合作相對滑轉(zhuǎn)的動密封,摩擦副端面在流體壓力和補(bǔ)償彈力作用下保持貼合,就像閥面一樣保持密閉,這樣可以保證很小的漏損。磨損是機(jī)械密封環(huán)失效的主要形式,導(dǎo)致磨損的原因很多,包括載荷(壓力)、轉(zhuǎn)速、幾何形狀和尺寸、加工工藝、表面狀態(tài)和摩擦副材料等。但載荷和轉(zhuǎn)速是由工況決定不能隨便改變,所以優(yōu)化幾何尺寸、改善表面狀態(tài)和研發(fā)新的摩擦材料以提高其PV值(密封斷面材料的許用壓強(qiáng)-速度值)成為國內(nèi)外密封行業(yè)減小密封磨損的主要途徑。摩擦副表層采用高硬度高耐熱材料已成為提高機(jī)械密封性能的主要手段之一,例如目前國內(nèi)主要采用碳化硅(SiC)、硬質(zhì)合金等。近年來,由于超硬材料的發(fā)展,一些新材料和表面鍍膜技術(shù)也逐步應(yīng)用到機(jī)械密封上,例如:立方氮化硼、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、金屬陶瓷、涂層硬質(zhì)合金、以及人造聚晶金剛石(PCD)、物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)等。不但提高了材料本身的耐磨性,也可改善材料之間的自潤滑性能,總體上提升密封件的性能。在機(jī)械密封中,摩擦副一般都選擇一軟一硬的組合。目前軟環(huán)多選用碳—石墨,硬環(huán)的材料種類較多。只有在特殊情況下,如介質(zhì)中含固體顆粒、有結(jié)晶析出或高黏度流體中才選用硬對硬組合。當(dāng)選用一軟一硬組合時,硬環(huán)端面的寬度比軟環(huán)寬(在硬對硬的材質(zhì)中可不受此限制)。因此,對材料的研究主要集中在硬端面材料方面。現(xiàn)階段,機(jī)械密封的端面硬材料主要有兩種:工程陶瓷和硬質(zhì)合金。1.1超細(xì)及納米晶粒硬質(zhì)合金一直是機(jī)械密封中常用的密封面硬材料,其韌性和剛性特別大,而且耐磨性好。硬質(zhì)合金的主要代表是碳化鎢(WC),是一種具有高硬度、高熱穩(wěn)定性和高耐磨性的新型功能材料,常用的粘結(jié)劑有鈷和鎳兩種。6%的鈷基碳化鎢使用范圍廣;鎳基碳化鎢由于耐腐蝕性有所改進(jìn),適合的范圍更廣。20世紀(jì)90年代以來,圍繞細(xì)化晶粒以制取亞微、超細(xì)及納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的研究開發(fā),已成為世界硬質(zhì)合金技術(shù)領(lǐng)域的一大熱點。通過研究與開發(fā),硬質(zhì)合金的晶粒不斷細(xì)化,硬質(zhì)合金的質(zhì)量不斷提高,從而推動了微細(xì)晶粒硬質(zhì)合金的發(fā)展。人們通過大量研究發(fā)現(xiàn),在硬質(zhì)合金粘結(jié)相含量不變的情況下,當(dāng)碳化鎢晶粒度減小到1μm以下時,合金的硬度和強(qiáng)度均有提高,并且隨著晶粒度進(jìn)一步減小,提高幅度更加明顯。關(guān)于超細(xì)及納米硬質(zhì)合金的晶粒度的具體劃分,目前世界上還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。美國某公司研制成一種新型硬質(zhì)合金,它與YG6硬質(zhì)合金相比,具有耐蝕能力強(qiáng)、耐磨和成本低等優(yōu)點,是制作機(jī)械密封零件的理想材料。這種新型硬質(zhì)合金的主要成分為碳化鎢,含有4%的鎳、3%的鉬、1.5%的鉻、0.5%的鈷。機(jī)械密封中不含粘結(jié)劑的碳化鎢是耐腐蝕硬質(zhì)合金的主流。1.2陶瓷基復(fù)合材料陶瓷密封是由工程陶瓷材料制成密封元件所組成的密封裝置來阻止流體介質(zhì)泄漏的一項技術(shù),近幾十年來,工程陶瓷材料在國民經(jīng)濟(jì)各個領(lǐng)域中的應(yīng)用已得到很大的發(fā)展,由于陶瓷材料位錯少,遷移率低,具有高彈性模量、高硬度、耐高溫、耐腐蝕以及耐磨損等優(yōu)點,且抗彎強(qiáng)度與金屬相當(dāng),抗壓強(qiáng)度極高,大約是金屬材料的5～7倍,尤其是高溫條件下,仍能保持高的強(qiáng)度和硬度,即使在1200℃時強(qiáng)度基本保持不變。在異物混入的情況下,陶瓷材料很少產(chǎn)生剝落失效,一般壽命較鋼制元件提高3～5倍。因此,將其作為機(jī)械設(shè)備的零件越來越多(見表1)。對工程陶瓷的研究應(yīng)用表明,目前限制工程陶瓷發(fā)展使用的關(guān)鍵技術(shù)是如何改善陶瓷材料的斷裂韌性,其斷裂韌性已經(jīng)達(dá)到鑄鐵的水平。工程陶瓷材料如氫化物陶瓷和碳化物陶瓷等作為機(jī)構(gòu)密封的摩擦副、鑲嵌瓷環(huán)等已經(jīng)應(yīng)用得較普遍,但只作為單體件在有些產(chǎn)品上應(yīng)用,作為相互配合的密封元件,還比較少見。2一般設(shè)計方法2.1潤滑液膜的密封性能1)在高速高壓下,摩擦面局部瞬間溫度可達(dá)到幾百度,因此密封材料在具有很高的熱硬性的同時要具有較好的自潤滑性能。2)為了降低摩擦生熱和易形成穩(wěn)定的潤滑液膜,必須有效控制摩擦面的單位壓力,壓力過大,會加速端面的磨損;壓力過小,泄漏量容易增加。3)防止發(fā)熱引起密封元件摩擦面變形,是導(dǎo)致泄漏量增大的原因之一,也是導(dǎo)致局部加劇磨損的主要原因之一。4)材料的對應(yīng)性,即摩擦副可以采用不同的材料,使之具有最佳的組合減摩性能和壽命。5)高速旋轉(zhuǎn)時,因離心力的作用所引起工作載荷的增加,會造成密封環(huán)工作的平穩(wěn)性下降,通過使零件輕量化,或者優(yōu)化密封結(jié)構(gòu),改善其在高速狀態(tài)下的穩(wěn)定性問題。2.2密封副的研磨和磨損機(jī)理1)通過大量的資料研究,篩選出適合于機(jī)械密封的材料,即:工程陶瓷或硬質(zhì)合金材料。2)對工程陶瓷或硬質(zhì)合金材料進(jìn)行篩選,對材料各方面的力學(xué)性能、熱力學(xué)性能和摩擦性能進(jìn)行研究。對樣品材料進(jìn)行摩擦磨損試驗,如在室溫、干摩擦、滑動速度恒定和載荷變化的條件下進(jìn)行實驗,在實驗中采用動態(tài)應(yīng)變儀測定磨損過程中的摩擦因數(shù)。通過實驗獲得各種摩擦副的摩擦因數(shù)與載荷的關(guān)系曲線、各種摩擦副在不同載荷下磨損率隨時間變化的關(guān)系曲線等。3)在工程陶瓷和硬質(zhì)合金中篩選出的較優(yōu)材料進(jìn)行交叉對比,并對其磨損機(jī)理進(jìn)行深入研究,通過對實驗結(jié)果的研究,劃分九對摩擦副的磨損等級,揭示了各摩擦副存在分層磨損、粘著磨損、磨粒磨損、疲勞磨損、晶粒脆性斷裂和脫落、化學(xué)反應(yīng)磨損等摩擦磨損過程,可以利用掃描電子顯微鏡(SEM)等顯微技術(shù),進(jìn)行材料表面的微觀對比。4)建立數(shù)學(xué)模型,研究密封副工作過程中的流場壓力分布及理論泄漏量;對密封環(huán)進(jìn)行熱分析以及應(yīng)力場計算,對密封環(huán)工作過程中的受熱變形進(jìn)行理論計算。利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行有限元仿真,主要研究目的是對材料進(jìn)行熱力學(xué)仿真,其中涉及到瞬態(tài)溫度場等熱耦合仿真、流固耦合計算。5)最終確定旋轉(zhuǎn)密封所采用的端面材料以及基體材料,并對旋轉(zhuǎn)密封鍍膜的分類對比基礎(chǔ)性研究,或采用單一材料加工出零件。6)與企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行工藝實驗研究,制備密封元件試驗樣件,對密封件進(jìn)行綜合試驗研究。主要是線速度≥20m/s,密封油壓≥2MPa,壽命≥300h耐久性試驗。利用試驗結(jié)果進(jìn)行比較,選出適合于機(jī)械密封的最優(yōu)材料。3旋轉(zhuǎn)密封fao與發(fā)動機(jī)匹配現(xiàn)今旋轉(zhuǎn)密封在高壓方面已經(jīng)得到了很好的發(fā)展,在油田開發(fā)中所使用的深井泵上的高壓動密封件可承受16MPa的工作壓力,但是在高速狀態(tài)下,旋轉(zhuǎn)密封件的性能還有待提高。在汽車傳動方面,由于高速發(fā)動機(jī)在不斷地發(fā)展,因此,傳動系統(tǒng)里的高速部件(如變速箱高速軸)的線速度也不斷地增加。例如,本田S2000的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到9000r/min(150r/s),而F1的轉(zhuǎn)速甚至能達(dá)到18500r/min(308r/s),因此,對傳動系統(tǒng)里的旋轉(zhuǎn)密封部件的技術(shù)性能也需不斷提高,以達(dá)到與發(fā)動機(jī)匹配的要求。如果密封件失效,潤滑油和液壓油泄漏,造成發(fā)動機(jī)的磨損,會造成傳動控制的失效。因此,高性能的旋轉(zhuǎn)密封部件,在車輛上有很好的應(yīng)用前景。機(jī)械密封的性能關(guān)鍵在于摩擦副端面所采用的材料,以及其密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計。目前在機(jī)械密封上最常用的是以碳化鎢為代表的硬質(zhì)合金材料,其技術(shù)指標(biāo)線速度為20m/s,壓力為1MPa;新型的工程陶瓷材料也已應(yīng)用到機(jī)械密封的端面材料上,而工程陶瓷有著比金屬更優(yōu)秀的耐磨性能、耐高溫性能以及化學(xué)穩(wěn)定性,如碳化硅、氮化硅等最高使用溫度都可以達(dá)到1000℃以上,材料強(qiáng)度比硬質(zhì)合金好,而且具有自潤滑性能,可避免金屬材料在長時間高溫、高壓的狀態(tài)下產(chǎn)生“蠕變”現(xiàn)象。因此,采用新型材料的高速高壓旋轉(zhuǎn)密封件,可以在原有的技術(shù)基礎(chǔ)上大幅提高在高速、高壓下的工作性能,將線速度提高到20m/s以上,承受的工作壓力提高1～2倍,并使其在熱力學(xué)性能方面得到較大的提高。新型密封材料可以應(yīng)用