液压驱动用1000mw传动系统旋转密封材料的研究

液压驱动用1000mw传动系统旋转密封材料的研究

0机械密封的应用现代机械的重要发展方向之一是在较小的体积和空间上实现高密度能源。实现这一特点的有效途径就是尽量提高转速,在这样的情况下,传动系元件和密封元件的线速度都成倍提高。如果采用普通的密封件,例如橡胶及其他工程塑料高分子聚合物材料等,会因摩擦面产生高温很快使材料烧毁,液压控制系统就不能进行正常有效的传动控制,导致操纵失效,因此,只能采用机械密封。机械密封主要是端面机械密封,是一种依靠动环与静环相配合形成摩擦副,并有弹性元件的压力对动、静环进行压紧,从而实现密封,例如目前广泛应用于深井泵的机械密封。摩擦副材料的力学性能、热力学性能以及其他性能对机械密封性能和寿命至关重要。1密封副材料的研究高速高压旋转密封一直是密封领域的研究重点和难点。在高速高压下摩擦副表面会瞬间产生高温,普通的密封件如橡胶及其他工程塑料高分子聚合物材料等,高速高压下因摩擦面产生高温很快使材料烧毁。在这种情况下,只有采用机械密封。机械密封主要是端面机械密封,即旋转环与静止环的端面彼此贴合作相对滑转的动密封,摩擦副端面在流体压力和补偿弹力作用下保持贴合,就像阀面一样保持密闭,这样可以保证很小的漏损。磨损是机械密封环失效的主要形式,导致磨损的原因很多,包括载荷(压力)、转速、几何形状和尺寸、加工工艺、表面状态和摩擦副材料等。但载荷和转速是由工况决定不能随便改变,所以优化几何尺寸、改善表面状态和研发新的摩擦材料以提高其PV值(密封断面材料的许用压强-速度值)成为国内外密封行业减小密封磨损的主要途径。摩擦副表层采用高硬度高耐热材料已成为提高机械密封性能的主要手段之一,例如目前国内主要采用碳化硅(SiC)、硬质合金等。近年来,由于超硬材料的发展,一些新材料和表面镀膜技术也逐步应用到机械密封上,例如:立方氮化硼、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、金属陶瓷、涂层硬质合金、以及人造聚晶金刚石(PCD)、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)技术等。不但提高了材料本身的耐磨性,也可改善材料之间的自润滑性能,总体上提升密封件的性能。在机械密封中,摩擦副一般都选择一软一硬的组合。目前软环多选用碳—石墨,硬环的材料种类较多。只有在特殊情况下,如介质中含固体颗粒、有结晶析出或高黏度流体中才选用硬对硬组合。当选用一软一硬组合时,硬环端面的宽度比软环宽(在硬对硬的材质中可不受此限制)。因此,对材料的研究主要集中在硬端面材料方面。现阶段,机械密封的端面硬材料主要有两种:工程陶瓷和硬质合金。1.1超细及纳米晶粒硬质合金一直是机械密封中常用的密封面硬材料,其韧性和刚性特别大,而且耐磨性好。硬质合金的主要代表是碳化钨(WC),是一种具有高硬度、高热稳定性和高耐磨性的新型功能材料,常用的粘结剂有钴和镍两种。6%的钴基碳化钨使用范围广;镍基碳化钨由于耐腐蚀性有所改进,适合的范围更广。20世纪90年代以来,围绕细化晶粒以制取亚微、超细及纳米结构硬质合金的研究开发,已成为世界硬质合金技术领域的一大热点。通过研究与开发,硬质合金的晶粒不断细化,硬质合金的质量不断提高,从而推动了微细晶粒硬质合金的发展。人们通过大量研究发现,在硬质合金粘结相含量不变的情况下,当碳化钨晶粒度减小到1μm以下时,合金的硬度和强度均有提高,并且随着晶粒度进一步减小,提高幅度更加明显。关于超细及纳米硬质合金的晶粒度的具体划分,目前世界上还没有统一的标准。美国某公司研制成一种新型硬质合金,它与YG6硬质合金相比,具有耐蚀能力强、耐磨和成本低等优点,是制作机械密封零件的理想材料。这种新型硬质合金的主要成分为碳化钨,含有4%的镍、3%的钼、1.5%的铬、0.5%的钴。机械密封中不含粘结剂的碳化钨是耐腐蚀硬质合金的主流。1.2陶瓷基复合材料陶瓷密封是由工程陶瓷材料制成密封元件所组成的密封装置来阻止流体介质泄漏的一项技术,近几十年来,工程陶瓷材料在国民经济各个领域中的应用已得到很大的发展,由于陶瓷材料位错少,迁移率低,具有高弹性模量、高硬度、耐高温、耐腐蚀以及耐磨损等优点,且抗弯强度与金属相当,抗压强度极高,大约是金属材料的5～7倍,尤其是高温条件下,仍能保持高的强度和硬度,即使在1200℃时强度基本保持不变。在异物混入的情况下,陶瓷材料很少产生剥落失效,一般寿命较钢制元件提高3～5倍。因此,将其作为机械设备的零件越来越多(见表1)。对工程陶瓷的研究应用表明,目前限制工程陶瓷发展使用的关键技术是如何改善陶瓷材料的断裂韧性,其断裂韧性已经达到铸铁的水平。工程陶瓷材料如氢化物陶瓷和碳化物陶瓷等作为机构密封的摩擦副、镶嵌瓷环等已经应用得较普遍,但只作为单体件在有些产品上应用,作为相互配合的密封元件,还比较少见。2一般设计方法2.1润滑液膜的密封性能1)在高速高压下,摩擦面局部瞬间温度可达到几百度,因此密封材料在具有很高的热硬性的同时要具有较好的自润滑性能。2)为了降低摩擦生热和易形成稳定的润滑液膜,必须有效控制摩擦面的单位压力,压力过大,会加速端面的磨损;压力过小,泄漏量容易增加。3)防止发热引起密封元件摩擦面变形,是导致泄漏量增大的原因之一,也是导致局部加剧磨损的主要原因之一。4)材料的对应性,即摩擦副可以采用不同的材料,使之具有最佳的组合减摩性能和寿命。5)高速旋转时,因离心力的作用所引起工作载荷的增加,会造成密封环工作的平稳性下降,通过使零件轻量化,或者优化密封结构,改善其在高速状态下的稳定性问题。2.2密封副的研磨和磨损机理1)通过大量的资料研究,筛选出适合于机械密封的材料,即:工程陶瓷或硬质合金材料。2)对工程陶瓷或硬质合金材料进行筛选,对材料各方面的力学性能、热力学性能和摩擦性能进行研究。对样品材料进行摩擦磨损试验,如在室温、干摩擦、滑动速度恒定和载荷变化的条件下进行实验,在实验中采用动态应变仪测定磨损过程中的摩擦因数。通过实验获得各种摩擦副的摩擦因数与载荷的关系曲线、各种摩擦副在不同载荷下磨损率随时间变化的关系曲线等。3)在工程陶瓷和硬质合金中筛选出的较优材料进行交叉对比,并对其磨损机理进行深入研究,通过对实验结果的研究,划分九对摩擦副的磨损等级,揭示了各摩擦副存在分层磨损、粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损、晶粒脆性断裂和脱落、化学反应磨损等摩擦磨损过程,可以利用扫描电子显微镜(SEM)等显微技术,进行材料表面的微观对比。4)建立数学模型,研究密封副工作过程中的流场压力分布及理论泄漏量;对密封环进行热分析以及应力场计算,对密封环工作过程中的受热变形进行理论计算。利用有限元软件ANSYS进行有限元仿真,主要研究目的是对材料进行热力学仿真,其中涉及到瞬态温度场等热耦合仿真、流固耦合计算。5)最终确定旋转密封所采用的端面材料以及基体材料,并对旋转密封镀膜的分类对比基础性研究,或采用单一材料加工出零件。6)与企业联合进行工艺实验研究,制备密封元件试验样件,对密封件进行综合试验研究。主要是线速度≥20m/s,密封油压≥2MPa,寿命≥300h耐久性试验。利用试验结果进行比较,选出适合于机械密封的最优材料。3旋转密封fao与发动机匹配现今旋转密封在高压方面已经得到了很好的发展,在油田开发中所使用的深井泵上的高压动密封件可承受16MPa的工作压力,但是在高速状态下,旋转密封件的性能还有待提高。在汽车传动方面,由于高速发动机在不断地发展,因此,传动系统里的高速部件(如变速箱高速轴)的线速度也不断地增加。例如,本田S2000的发动机转速达到9000r/min(150r/s),而F1的转速甚至能达到18500r/min(308r/s),因此,对传动系统里的旋转密封部件的技术性能也需不断提高,以达到与发动机匹配的要求。如果密封件失效,润滑油和液压油泄漏,造成发动机的磨损,会造成传动控制的失效。因此,高性能的旋转密封部件,在车辆上有很好的应用前景。机械密封的性能关键在于摩擦副端面所采用的材料,以及其密封结构的设计。目前在机械密封上最常用的是以碳化钨为代表的硬质合金材料,其技术指标线速度为20m/s,压力为1MPa;新型的工程陶瓷材料也已应用到机械密封的端面材料上,而工程陶瓷有着比金属更优秀的耐磨性能、耐高温性能以及化学稳定性,如碳化硅、氮化硅等最高使用温度都可以达到1000℃以上,材料强度比硬质合金好,而且具有自润滑性能,可避免金属材料在长时间高温、高压的状态下产生“蠕变”现象。因此,采用新型材料的高速高压旋转密封件,可以在原有的技术基础上大幅提高在高速、高压下的工作性能,将线速度提高到20m/s以上,承受的工作压力提高1～2倍,并使其在热力学性能方面得到较大的提高。新型密封材料可以应用