核主泵副密封用橡胶密封材料的摩擦性能试验研究

核主泵副密封用橡胶密封材料的摩擦性能试验研究

主缸叶片的密封工作在高温、高压和强辐射的环境中。为了确保各种场景下的主密封材料的可靠性、耐候性和耐辐射性，橡胶类材料的副密封性能应满足抗热性、抗压性和耐候性的要求。在设计主密封时，打开、停车和密封腔之间的摩擦变大，大小和方向会发生变化。主密封和平衡接头之间的摩擦性能规律的研究对于主密封框架的结构设计中的主密封结构的确保了不同场景下的可靠性。摩擦性能是橡胶密封材料性能评价的重要指标.由于橡胶材料黏弹性高,而弹性模量低,所以橡胶材料的摩擦具有不同于金属和一般聚合物的特征.橡胶摩擦磨损机理研究揭示出橡胶与刚性表面的摩擦力由黏着摩擦力Fa和滞后摩擦力Fh组成,并且和载荷、相对运动速度、润滑状态、温度、力学性能等诸多因素相关.彭旭东、郭孔辉等针对橡胶材料与干燥路面及冰面的摩擦特性进行了机理分析和相应的实验研究.吕仁国等采用销-盘式摩擦磨耗试验机考察了滑动速度、载荷因素对丁腈橡胶摩擦性能的影响,分析了其作用机理.杨兆春采用W-1微量磨损试验机对天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶以及聚氨酯等4种橡胶材料,在不同滑动速度和不同法向载荷的试验条件下进行线接触摩擦试验.为降低橡胶与金属表面之间的摩擦和磨损,新型密封结构研究成为热点.揭亮等采用有限元方法对腈基丁二烯橡胶(NBR)O形密封圈与钢配偶件的摩擦性能及某种新型密封结构下的摩擦性能进行了有限元理论分析,结果表明新型密封结构可以减小橡胶密封与钢配偶件之间的摩擦系数.为了获得与真实工况可比的橡胶密封摩擦性能,TAStolarski和MTucker使用自行设计的试验装置对O形橡胶圈在线性运动启动过程的摩擦性能随密封腔压力及不同润滑状态下的变化规律进行了实验研究.随着工况参数向极端化方向发展,对橡胶密封材料摩擦磨损特性机理和实验研究受到越来越多研究者的关注.本文分别选用国产和进口2种EPDMO形密封圈,在SRV摩擦磨损试验机上较系统地研究了其与钢配偶件(表面涂覆DLC膜)的摩擦系数随载荷、温度和相对滑动速度的变化规律,并通过摩擦表面的形貌分析揭示了其摩擦机理,可为核主泵密封性能理论分析及副密封选材提供依据.1实验部分1.1无高温附件本试验采用德国OPTIMOL公司生产的SRV摩擦磨损试验机,其试验温度可以在-40～900℃(无高温附件时温度的范围是-40～280℃)范围内连续调节,接触载荷0～1200N、冲程0.0～3.5mm及频率5～500Hz均连续可调,可以满足本文对三元乙丙橡胶与钢配偶件之间各类工况下摩擦性能研究的需要.1.2材料表面根据目前核电站中实际使用的副密封橡胶材料,试验材料选择国产和进口2种O形三元乙丙橡胶(EPDM)密封圈,截面直径均为5.3mm.1.3试样装卡与压缩率本试验中SRV试验机标准下试样采用40Cr,表面淬火,硬度不低于HRC55,未镀膜前粗糙度Ra为0.4m.表面镀Ta-C无氢类金刚石膜,涂层厚度约475nm.为实现O形密封圈与标准上试样的装卡,设计如图1所示卡具,将O形圈试样截成15mm的小段,装入卡具后作为上试样与试验机进行装卡与固定.试样件的相对往复运动方向与实际工作状况相同.试件安装后的位置图如图1所示.O形密封圈的压缩率对其工作性能有重要的影响.文献指出:用于往复运动时,密封圈的压缩率在10%～20%,核主泵辅助密封压缩率约为15%.因此,试样的压缩率分别设计为9%、15%和21%,对应上试样卡具的槽深分别为4.8、4.5和4.2mm.1.4试验条件室温25℃,试验机频率50Hz,橡胶试样长度15mm,直径5.3mm,冲程1.0mm.2结果与讨论2.1在不同的润滑剂条件下，系数随着负荷的变化而变化核主泵在启动、停车、运行时,密封腔内压力会发生波动,从而带来橡胶密封接触应力和接触面积的变化,引起摩擦系数的变化.2.1.1下试样下试样的安装选取O形密封圈压缩率为21%,将上下试样安装好之后,采用吸管吸取去离子水,人工注入并保持下试样周围的水环境,基本保持橡胶密封与下试样接触位置全部浸入水中.2.1.2混合润滑状态由图2可得出,在不同润滑状态下,国内外2种材料的摩擦系数均随着载荷的增加而减小.图3(a)～(b)分别是干摩擦状态下单位长度载荷0.67N/mm时国外橡胶和国内橡胶材料磨损后扫描电镜下获得的磨损形貌.结果显示:沿着运动方向橡胶表面产生明显的平行划痕,这是由于摩擦过程中下试样金属表面微凸体刺入橡胶表面,往复运动中使橡胶表面产生刮伤,此时橡胶与下试样之间主要表现为黏着摩擦.文献通过对丁晴橡胶摩擦系数随载荷变化的分析指出,在低载荷下橡胶与金属表面从微观上可以看作橡胶微凸体与金属表面的接触.随着载荷增加,由于橡胶硬度较低,使微凸体高度变低,参与接触的橡胶微凸体数量随之增加,所以单位接触面积上的应力减小,从而摩擦系数随着载荷的增加降低.国内外2种材料的摩擦系数在水润滑条件下均小于干摩擦时的摩擦系数.但在试验载荷范围内,水润滑状态下摩擦系数并没有发生数量级的改变,说明其摩擦状态处于混合润滑状态.图3(c)所示为水润滑状态下单位长度载荷0.67N/mm时,国外橡胶材料的磨损形貌,与图3(a)比较,可以观察到沿相对滑动方向划痕明显变浅,表面较平滑.新的研究表明:在水润滑湿磨条件下,橡胶与硬对磨件之间的黏附大大降低,转为滞后摩擦为主.图3(d)为表面涂覆DLC膜的下试样试验后的表面形貌,结果显示与未试验前的形貌基本一致,证明了水润滑状态下滞后摩擦为主的特性.摩擦表面的水膜不仅带走摩擦热,减小了橡胶材料的热降解,也降低了摩擦系数.2.2温度对橡胶摩擦系数的影响由图4所示,O形密封圈压缩率为9%,单位长度载荷0.67N/mm时,EPDM材料的摩擦系数随着温度的升高略有减小.王贵一从黏着摩擦力和滞后摩擦力的角度进行的温度对摩擦性能的影响试验研究指出:2种摩擦力均随温度升高逐渐减小,并且在40～100℃的范围内,黏着摩擦力占主导地位.因此,总体上橡胶的摩擦系数会随着温度的升高而降低.本试验的结果与前人工作具有较好的一致性.同时,试验表明EPDM橡胶摩擦系数随温度降低值较小,即热稳定性较好.2.3冲程与相对运动速度主泵轴主密封端面需要具有追随特性,以适应密封腔压力变化或其他扰动的影响.此时,副密封环与平衡套之间将产生微小位移.由于橡胶材料的黏弹性此类位移可能仅仅是橡胶本身的弹性变形,其摩擦力属内摩擦,只有当密封圈与平衡套之间有相对较大位移时,才产生滑动摩擦.SRV试验机测量的摩擦系数是摩擦过程中的瞬时摩擦力与载荷之比.O形密封圈压缩率为21%进行试验,由图5可知,随着试样间的相对位移增加,摩擦力非单调变化.在冲程1.0mm时,随冲程的增加,摩擦力增加.此时,可以理解为由于橡胶材料具有较高的黏弹性,在相对较小位移相下,上下试样间没有产生宏观的相对运动,测得的摩擦力是橡胶材料弹性变形产生的滞后摩擦力.当相对位移增加到1.0mm以上,摩擦面间产生滑动摩擦.根据SRV试验机工作原理,冲程与相对滑动速度成正比关系,如式(1).即随冲程增加,相对滑动速度同时增加,摩擦力减小.由于摩擦力大小取决于接触面积A和橡胶材料的剪切强度S,而接触面积和剪切强度随速度的变化如图6,所以随着相对运动速度的变化,橡胶与钢对偶件之间的摩擦力存在峰值.V=2fl(1)式中:V为上下试样间的相对运动速度,mm/s;f为试验机频率,Hz;l试验机的冲程,mm.2.4试验系统误差为保证试验数据的可靠性,本研究中针对每个试验都采用了3次重复试验,并对数据进行均值处理.但由于试验机本身条件所限,仍然存在一些系统误差.主要包括:(1)加温试验中,试验机的加热元件为放置下试样的平台,热量通过下试样传到摩擦表面,不可避免地造成热量损耗;同时,橡胶在摩擦过程中的发热,对橡胶的温度造成影响,所以在温度试验中,显示的温度只是环境温度,本文中温度变化下的摩擦系数规律只是定性分析.(2)试验中使用的橡胶试样是O形圈的一段,所以会存在边界效应.3机械密封副密封c.专业密封aa.在本文的试验条件下,国内外O形密封圈EPDM材料随润滑状态、载荷、温度、相对滑动速度等的摩擦性能变化差异不大.b.EPDM材料的摩擦系数随温度变化较小,热稳定性较好.c.水润滑条件下,随着冲程(相对位移、相对速度)的增