干气密封DLC薄膜织构表面摩擦学特性试验研究

【摘要】：干气密封正常运行时,端面相互脱离,界面处于气体润滑状态。在启、停阶段和波动工况的条件下,由于转速较低,界面间动压效应不足,密封环端面相互接触,界面处于干摩擦状态,这样密封环端面会造成摩擦磨损和自激振动,严重影响了密封性能。在工程实际中,端面摩擦磨损已成为影响密封效果和缩短密封环使用寿面的重要因素。在贫油或干摩擦条件下,为了改善密封材料的摩擦学性能,解决密封环的耐磨性差和使用寿命短的问题。本研究从采用DLC镀膜技术提高密封环材料性能,利用表面织构化改变材料表面形貌和组织,及其对摩擦性能影响的角度出发,以干气密封DLC镀膜织构化端面的摩擦特性和振动强度为研究对象。在模拟工况下,以HDM20型端面摩擦磨损试验机和MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机作为实验主机。温度传感器、力矩传感器和自主设计的摩擦振动测试仪作为信号的采集和处理系统,分别完成温度、摩擦力矩和振动加速度信号采集。用三维非接触式表面轮廓仪和扫描电子显微镜(SEM)测量试件的表面相貌和磨损情况。利用光纤激光打标机在SiC密封环表面进行微织构加工,所加工的圆形凹坑且呈环形矩阵排列,凹坑的直径为:Φ150μm、Φ200μm和Φ250μm,面密度为:5%、10%和15%,凹坑深度10μm;然后对其进行DLC镀膜,膜厚3μm,制备了9种不同参数的织构化表面和16~o、18~o两种SiC螺旋槽密封环。在模拟工况下,DLC织构密封环和SiC螺旋槽密封环组成“硬对硬”的摩擦配副,用端面摩擦磨损试验机进行摩擦特性试验,通过摩擦系数的变化曲线,分析表面织构几何参数和工况对干气密封摩擦学性能的影响规律及其摩擦机理;试验结果显示构表面改变了摩擦副的接触状态,具有减摩的性能。织构表面得摩擦系数?0.1,远远小于同工况下的光面的摩擦系数;摩擦系数随着凹坑直径的增加先减小而后增加,但是摩擦系数的变化幅度随着直径的增加却逐渐减小,直径越大摩擦状态越稳定,密封环表面磨屑越少。随着织构面密度的增加,单位面积上的载荷变大,使得摩擦系数增加,但是面密度越大,界面间的动压效应越明显,从而使得摩擦状态变得更加稳定。研究结果表明,Φ200μm的织构表面摩擦系数最低,且摩擦状态较为稳定;10%的织构表面的摩擦系数偏低且能明显的改善干气密封的摩擦状态。在相同的情况下,由于动压效应和表面形貌等综合影响,随着载荷和速度增加,摩擦系数减小,摩擦状态趋于稳定。在模拟工况下,对干气密封开启阶段的摩擦振动特性进行了试验,采集了摩擦力矩、温度和摩擦振动的加速度数据,研究了不同的织构几何参数和螺旋角对干气密封摩擦振动性能的影响规律和机理。密封环的织构表面能够有效地改善干气密封系统的摩擦性能和端面的接触状态。在系统运行时织构不仅能产生动压效应使系统运行趋于稳定,而且还可以引起界面与凹坑边缘的撞击进而导致摩擦界面的摩擦力和振动加速度信号产生突变,二者的综合作用对系统运行的稳定性起着至关重要的影响。通过对试验数据的对比分析和摩擦振动的机理研究,结果表明:直径Φ150μm和5%的织构表面产生动压效应较小,系统运行的稳定性较差,而Φ250μm和15%的织构表面虽然在系统运行时产生了较为明显的动压效应,但是端面间的撞击也会加剧。因此凹坑直径Φ200μm和面密度10%的织构表面能有效改善界面的摩擦磨损特性。摩擦自激振动是微弱的高频低幅振动,利用谐波小波包和傅里叶变换对振动加速度的时域信号进行5阶分解和重构,获得32个子波段。通过对振动信号的时域图和频域图的分析,提取了摩擦振动信号特征,得到系统自激振动的频率约为7.5KHz,振动的固有频率为1.140KHz,当频率为19350Hz时,振幅最大为0.3417?10~(-3)。通过对自激振动加速度数据及其方差等参数进行稳定性分析,可知16~o螺旋角比18~o的螺旋角能更好的改善密封环端面间的摩擦状态。研究结果为系统的稳定性、摩擦副材料的选择和表面织构的仿真优化设计提供试验和理论依据。