核主泵副密封用橡膠密封材料的摩擦性能試驗(yàn)研究

核主泵副密封用橡膠密封材料的摩擦性能試驗(yàn)研究

主缸葉片的密封工作在高溫、高壓和強(qiáng)輻射的環(huán)境中。為了確保各種場景下的主密封材料的可靠性、耐候性和耐輻射性，橡膠類材料的副密封性能應(yīng)滿足抗熱性、抗壓性和耐候性的要求。在設(shè)計(jì)主密封時，打開、停車和密封腔之間的摩擦變大，大小和方向會發(fā)生變化。主密封和平衡接頭之間的摩擦性能規(guī)律的研究對于主密封框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主密封結(jié)構(gòu)的確保了不同場景下的可靠性。摩擦性能是橡膠密封材料性能評價的重要指標(biāo).由于橡膠材料黏彈性高,而彈性模量低,所以橡膠材料的摩擦具有不同于金屬和一般聚合物的特征.橡膠摩擦磨損機(jī)理研究揭示出橡膠與剛性表面的摩擦力由黏著摩擦力Fa和滯后摩擦力Fh組成,并且和載荷、相對運(yùn)動速度、潤滑狀態(tài)、溫度、力學(xué)性能等諸多因素相關(guān).彭旭東、郭孔輝等針對橡膠材料與干燥路面及冰面的摩擦特性進(jìn)行了機(jī)理分析和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究.呂仁國等采用銷-盤式摩擦磨耗試驗(yàn)機(jī)考察了滑動速度、載荷因素對丁腈橡膠摩擦性能的影響,分析了其作用機(jī)理.楊兆春采用W-1微量磨損試驗(yàn)機(jī)對天然橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠以及聚氨酯等4種橡膠材料,在不同滑動速度和不同法向載荷的試驗(yàn)條件下進(jìn)行線接觸摩擦試驗(yàn).為降低橡膠與金屬表面之間的摩擦和磨損,新型密封結(jié)構(gòu)研究成為熱點(diǎn).揭亮等采用有限元方法對腈基丁二烯橡膠(NBR)O形密封圈與鋼配偶件的摩擦性能及某種新型密封結(jié)構(gòu)下的摩擦性能進(jìn)行了有限元理論分析,結(jié)果表明新型密封結(jié)構(gòu)可以減小橡膠密封與鋼配偶件之間的摩擦系數(shù).為了獲得與真實(shí)工況可比的橡膠密封摩擦性能,TAStolarski和MTucker使用自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置對O形橡膠圈在線性運(yùn)動啟動過程的摩擦性能隨密封腔壓力及不同潤滑狀態(tài)下的變化規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.隨著工況參數(shù)向極端化方向發(fā)展,對橡膠密封材料摩擦磨損特性機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究受到越來越多研究者的關(guān)注.本文分別選用國產(chǎn)和進(jìn)口2種EPDMO形密封圈,在SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上較系統(tǒng)地研究了其與鋼配偶件(表面涂覆DLC膜)的摩擦系數(shù)隨載荷、溫度和相對滑動速度的變化規(guī)律,并通過摩擦表面的形貌分析揭示了其摩擦機(jī)理,可為核主泵密封性能理論分析及副密封選材提供依據(jù).1實(shí)驗(yàn)部分1.1無高溫附件本試驗(yàn)采用德國OPTIMOL公司生產(chǎn)的SRV摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),其試驗(yàn)溫度可以在-40～900℃(無高溫附件時溫度的范圍是-40～280℃)范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié),接觸載荷0～1200N、沖程0.0～3.5mm及頻率5～500Hz均連續(xù)可調(diào),可以滿足本文對三元乙丙橡膠與鋼配偶件之間各類工況下摩擦性能研究的需要.1.2材料表面根據(jù)目前核電站中實(shí)際使用的副密封橡膠材料,試驗(yàn)材料選擇國產(chǎn)和進(jìn)口2種O形三元乙丙橡膠(EPDM)密封圈,截面直徑均為5.3mm.1.3試樣裝卡與壓縮率本試驗(yàn)中SRV試驗(yàn)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)下試樣采用40Cr,表面淬火,硬度不低于HRC55,未鍍膜前粗糙度Ra為0.4m.表面鍍Ta-C無氫類金剛石膜,涂層厚度約475nm.為實(shí)現(xiàn)O形密封圈與標(biāo)準(zhǔn)上試樣的裝卡,設(shè)計(jì)如圖1所示卡具,將O形圈試樣截成15mm的小段,裝入卡具后作為上試樣與試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行裝卡與固定.試樣件的相對往復(fù)運(yùn)動方向與實(shí)際工作狀況相同.試件安裝后的位置圖如圖1所示.O形密封圈的壓縮率對其工作性能有重要的影響.文獻(xiàn)指出:用于往復(fù)運(yùn)動時,密封圈的壓縮率在10%～20%,核主泵輔助密封壓縮率約為15%.因此,試樣的壓縮率分別設(shè)計(jì)為9%、15%和21%,對應(yīng)上試樣卡具的槽深分別為4.8、4.5和4.2mm.1.4試驗(yàn)條件室溫25℃,試驗(yàn)機(jī)頻率50Hz,橡膠試樣長度15mm,直徑5.3mm,沖程1.0mm.2結(jié)果與討論2.1在不同的潤滑劑條件下，系數(shù)隨著負(fù)荷的變化而變化核主泵在啟動、停車、運(yùn)行時,密封腔內(nèi)壓力會發(fā)生波動,從而帶來橡膠密封接觸應(yīng)力和接觸面積的變化,引起摩擦系數(shù)的變化.2.1.1下試樣下試樣的安裝選取O形密封圈壓縮率為21%,將上下試樣安裝好之后,采用吸管吸取去離子水,人工注入并保持下試樣周圍的水環(huán)境,基本保持橡膠密封與下試樣接觸位置全部浸入水中.2.1.2混合潤滑狀態(tài)由圖2可得出,在不同潤滑狀態(tài)下,國內(nèi)外2種材料的摩擦系數(shù)均隨著載荷的增加而減小.圖3(a)～(b)分別是干摩擦狀態(tài)下單位長度載荷0.67N/mm時國外橡膠和國內(nèi)橡膠材料磨損后掃描電鏡下獲得的磨損形貌.結(jié)果顯示:沿著運(yùn)動方向橡膠表面產(chǎn)生明顯的平行劃痕,這是由于摩擦過程中下試樣金屬表面微凸體刺入橡膠表面,往復(fù)運(yùn)動中使橡膠表面產(chǎn)生刮傷,此時橡膠與下試樣之間主要表現(xiàn)為黏著摩擦.文獻(xiàn)通過對丁晴橡膠摩擦系數(shù)隨載荷變化的分析指出,在低載荷下橡膠與金屬表面從微觀上可以看作橡膠微凸體與金屬表面的接觸.隨著載荷增加,由于橡膠硬度較低,使微凸體高度變低,參與接觸的橡膠微凸體數(shù)量隨之增加,所以單位接觸面積上的應(yīng)力減小,從而摩擦系數(shù)隨著載荷的增加降低.國內(nèi)外2種材料的摩擦系數(shù)在水潤滑條件下均小于干摩擦?xí)r的摩擦系數(shù).但在試驗(yàn)載荷范圍內(nèi),水潤滑狀態(tài)下摩擦系數(shù)并沒有發(fā)生數(shù)量級的改變,說明其摩擦狀態(tài)處于混合潤滑狀態(tài).圖3(c)所示為水潤滑狀態(tài)下單位長度載荷0.67N/mm時,國外橡膠材料的磨損形貌,與圖3(a)比較,可以觀察到沿相對滑動方向劃痕明顯變淺,表面較平滑.新的研究表明:在水潤滑濕磨條件下,橡膠與硬對磨件之間的黏附大大降低,轉(zhuǎn)為滯后摩擦為主.圖3(d)為表面涂覆DLC膜的下試樣試驗(yàn)后的表面形貌,結(jié)果顯示與未試驗(yàn)前的形貌基本一致,證明了水潤滑狀態(tài)下滯后摩擦為主的特性.摩擦表面的水膜不僅帶走摩擦熱,減小了橡膠材料的熱降解,也降低了摩擦系數(shù).2.2溫度對橡膠摩擦系數(shù)的影響由圖4所示,O形密封圈壓縮率為9%,單位長度載荷0.67N/mm時,EPDM材料的摩擦系數(shù)隨著溫度的升高略有減小.王貴一從黏著摩擦力和滯后摩擦力的角度進(jìn)行的溫度對摩擦性能的影響試驗(yàn)研究指出:2種摩擦力均隨溫度升高逐漸減小,并且在40～100℃的范圍內(nèi),黏著摩擦力占主導(dǎo)地位.因此,總體上橡膠的摩擦系數(shù)會隨著溫度的升高而降低.本試驗(yàn)的結(jié)果與前人工作具有較好的一致性.同時,試驗(yàn)表明EPDM橡膠摩擦系數(shù)隨溫度降低值較小,即熱穩(wěn)定性較好.2.3沖程與相對運(yùn)動速度主泵軸主密封端面需要具有追隨特性,以適應(yīng)密封腔壓力變化或其他擾動的影響.此時,副密封環(huán)與平衡套之間將產(chǎn)生微小位移.由于橡膠材料的黏彈性此類位移可能僅僅是橡膠本身的彈性變形,其摩擦力屬內(nèi)摩擦,只有當(dāng)密封圈與平衡套之間有相對較大位移時,才產(chǎn)生滑動摩擦.SRV試驗(yàn)機(jī)測量的摩擦系數(shù)是摩擦過程中的瞬時摩擦力與載荷之比.O形密封圈壓縮率為21%進(jìn)行試驗(yàn),由圖5可知,隨著試樣間的相對位移增加,摩擦力非單調(diào)變化.在沖程1.0mm時,隨沖程的增加,摩擦力增加.此時,可以理解為由于橡膠材料具有較高的黏彈性,在相對較小位移相下,上下試樣間沒有產(chǎn)生宏觀的相對運(yùn)動,測得的摩擦力是橡膠材料彈性變形產(chǎn)生的滯后摩擦力.當(dāng)相對位移增加到1.0mm以上,摩擦面間產(chǎn)生滑動摩擦.根據(jù)SRV試驗(yàn)機(jī)工作原理,沖程與相對滑動速度成正比關(guān)系,如式(1).即隨沖程增加,相對滑動速度同時增加,摩擦力減小.由于摩擦力大小取決于接觸面積A和橡膠材料的剪切強(qiáng)度S,而接觸面積和剪切強(qiáng)度隨速度的變化如圖6,所以隨著相對運(yùn)動速度的變化,橡膠與鋼對偶件之間的摩擦力存在峰值.V=2fl(1)式中:V為上下試樣間的相對運(yùn)動速度,mm/s;f為試驗(yàn)機(jī)頻率,Hz;l試驗(yàn)機(jī)的沖程,mm.2.4試驗(yàn)系統(tǒng)誤差為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,本研究中針對每個試驗(yàn)都采用了3次重復(fù)試驗(yàn),并對數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理.但由于試驗(yàn)機(jī)本身?xiàng)l件所限,仍然存在一些系統(tǒng)誤差.主要包括:(1)加溫試驗(yàn)中,試驗(yàn)機(jī)的加熱元件為放置下試樣的平臺,熱量通過下試樣傳到摩擦表面,不可避免地造成熱量損耗;同時,橡膠在摩擦過程中的發(fā)熱,對橡膠的溫度造成影響,所以在溫度試驗(yàn)中,顯示的溫度只是環(huán)境溫度,本文中溫度變化下的摩擦系數(shù)規(guī)律只是定性分析.(2)試驗(yàn)中使用的橡膠試樣是O形圈的一段,所以會存在邊界效應(yīng).3機(jī)械密封副密封c.專業(yè)密封aa.在本文的試驗(yàn)條件下,國內(nèi)外O形密封圈EPDM材料隨潤滑狀態(tài)、載荷、溫度、相對滑動速度等的摩擦性能變化差異不大.b.EPDM材料的摩擦系數(shù)隨溫度變化較小,熱穩(wěn)定性較好.c.水潤滑條件下,隨著沖程(相對位移、相對速度)的增