油氣混相回流泵送密封結構啟動過程摩擦磨損性能試驗

李慶展 ，李雙喜 ，鄭 嬈 ，江 磊 ，曾 怡 ，朱明月

（1.中國兵器工業集團中兵智能創新研究院有限公司，北京 100072；2.北京化工大學流體密封技術研究中心，北京 100029；3.北京理工大學，北京 100081）

0 引言

航空發動機軸承腔油氣混相回流泵送密封（Oilgas mixed-phase reflux pumping seal，OG-RPS）結構是一種基于油氣混相潤滑技術的高速非接觸式密封結構，在正常工作時能實現零泄漏和動壓超滑，密封端面無摩擦磨損[1-2]。然而在密封啟動過程中，密封端面未開啟狀態時密封端面接觸摩擦，由于發動機軸承腔內油氣混相介質和密封端面螺旋槽的存在，該狀態下的摩擦狀態不同于干氣、液膜等全膜潤滑或者邊界摩擦的，當設計、選材或操作不當時，密封端面易發生磨損[3]，甚至失效[4]，研究其啟動過程中轉速變化和壓力變化等非穩態危險工況下的摩擦學性能很有必要。

目前應用在航空發動機軸承腔上的密封技術主要是浮環密封、刷式密封和機械密封，但是機械密封磨損嚴重[5]、壽命短，浮環密封和刷式密封的泄漏量大[6-8]，無法滿足航空發動機軸承腔高參數密封的要求?；谟蜌饣煜酀櫥夹g的發動機軸承腔回流泵送密封摩擦性能的研究較少，但其他關于端面摩擦性能研究也有一定參考價值。國內外學者研究發現合適的表面織構能有效減少端面摩擦磨損[9-10]，降低端面溫升[11]，減少端面泄漏[12-13]，同時外加載荷和表面粗糙度[14-16]也對端面接觸狀態和密封性能影響較大。在摩擦副密封端面結構方面，魏龍等[17]、丁雪興等[18-20]、馮秀等[21]分別研究了接觸式機械密封、螺旋槽干氣密封、螺旋槽液膜上游泵送密封的端面摩擦特性。在摩擦副材料方面，葛毅成等[22]研究了載荷對復合碳材料摩擦系數的影響；閆玉濤等[23]研究了石墨密封材料的高溫磨損性能；王振峰等[24]獲得了影響航天器高溫密封材料的基本性能參數；張鵬鵬等[25]采用銷盤試驗研究了液體火箭發動機銅基石墨材料在干摩擦和水潤滑條件下的摩擦磨損性能和磨損機理；彭旭東等[26]探究了干摩擦和油潤滑條件下，3 種國產典型浸酚醛樹脂石墨與SiC 陶瓷配對副的磨損形式。摩擦信號測量方面，聲發射無損監測[27]和端面溫度監測[28]是最常用的手段。這些研究都為航空發動機軸承腔回流泵送密封的研究提供了導向。

探究在密封啟動過程中低速運轉、低速加載密封端面的摩擦機理，選取摩擦性能較好的摩擦副材料組對對航空發動機軸承腔密封技術研究具有一定價值。本文針對摩擦副材料組對、摩擦副密封端面形式、啟動加載等方面，開展航空發動機軸承腔回流泵送密封摩擦性能試驗研究。

1 摩擦試驗概況

1.1 摩擦試驗臺

摩擦試驗臺如圖1 所示。摩擦試驗臺型號為Plint Tribology，是一種標準化多功能摩擦學性能測試系統，試驗過程中能監測摩擦系數、摩擦溫度等參數。試驗裝置結構如圖2所示。針對回流泵送密封的摩擦副進行試驗，動環安裝在轉軸上，靜環固定在密封腔上，溫度傳感器監測靜環密封端面摩擦溫度，介質是通過油氣發生器產生的空氣和航空發動機軸承腔用Aero555 潤滑油的油氣混相介質，潤滑油具體牌號為DOD-PRF-85734A，油氣混相介質總量3.525 L，油氣體積比0.2，環境溫度15~20 ℃。轉速高時密封密封端面會開啟，形成非接觸，此處模擬低速啟動過程密封的摩擦磨損性能，轉速設置為低速2000 r/min，最高線速度5.3 m/s。Aero555潤滑油具有較好的熱和氧化穩定性以及較好的承載能力，Aero555潤滑油物性和試驗操作參數見表1。

表1 Aero555潤滑油物性和試驗操作參數

圖1 Plint Tribology試驗臺

圖2 試驗裝置結構

1.2 摩擦副

航空發動機軸承腔典型的摩擦副一般采用硬對軟組對原則。綜合考慮材料密度和強度，此處選擇典型的浸銻石墨和浸樹脂石墨作為軟環研究，選擇18Cr2Ni4WA 合 金 鋼、18Cr2Ni4WA 噴 涂Al2O3陶 瓷 和18Cr2Ni4WA噴涂Cr2O3陶瓷作為硬環研究，其中金屬基體+噴涂陶瓷的材料具有較好的強度、較硬的密封面和較好的導熱性能，18Cr2Ni4WA為航空發動機軸承腔機械密封原動環材料，材料屬性見表2，組對形式見表3。

表2 摩擦副材料屬性

表3 摩擦副材料組對形式

回流泵送密封結構的密封端面加工螺旋槽，結構形式如圖3 所示。為了更好地研究回流泵送密封的摩擦性能，與無槽摩擦副機械密封結構對比分析。靜環實物如圖4 所示。螺旋槽參數見表4。

表4 螺旋槽結構參數

圖3 密封端面螺旋槽結構形式

圖4 靜環實物

2 試驗步驟

通過加速摩擦試驗和密封端面加載摩擦試驗模擬密封啟動過程中的轉速變化和端面比壓變化。分6 組摩擦副材料組對依次進行，每組摩擦副材料組對分為有螺旋槽和無槽2 種密封端面形式，其中有螺旋槽密封為回流泵送密封結構，無槽密封為機械密封結構，啟動過程試驗步驟見表5。

表5 啟動過程試驗步驟

3 試驗結果分析

3.1 加速過程試驗

在回流泵送密封啟動過程中、低轉速情況下，密封端面接觸運轉，通過加速過程試驗模擬回流泵送密封啟動升速過程。

3.1.1 摩擦系數分析

螺旋槽回流泵送密封端面摩擦系數比無槽機械密封端面的低，螺旋槽能有效提升摩擦副潤滑特性，降低摩擦系數。這是因為螺旋槽的存在能夠減小密封端面摩擦面積，并產生動壓效應，提供2 次油源，從而大幅度降低密封端面摩擦系數。

M120K 對不同靜環摩擦系數的影響如圖5所示。從圖中可見，對于回流泵送密封而言，組對1和組對3密封端面摩擦系數隨轉速增大逐漸減小，這是因為螺旋槽能夠容納轉速增加過程中密封端面磨損產生的雜質顆粒，從而阻止其持續破壞密封端面；組對5 密封端面摩擦系數隨轉速增大逐漸增大，這是因為金屬密封端面較軟，隨轉速增大容易發生磨損。對于無槽機械密封而言，3種組對密封端面摩擦系數都隨轉速增大逐漸增大，這是因為轉速增加過程中因密封端面磨損產生的磨粒持續破壞密封端面，導致摩擦系數增大。

圖5 M120K對不同靜環摩擦系數的影響

不同材料組對回流泵送密封摩擦系數的影響差異較大，如圖6 所示。從圖中可見，硬環密封端面為噴涂陶瓷時的摩擦系數隨轉速增大逐漸減小，硬環密封端面為金屬時的摩擦系數隨轉速增大逐漸增大，這是因為噴涂陶瓷密封端面較硬，抗磨損性能較好，金屬密封端面較軟，容易發生磨損。動環材料為M120K 時，噴涂Al2O3密封端面摩擦系數約為18Cr2Ni4WA 密封端面摩擦系數的24.91%~46.46%；動環材料為M120D 時，噴涂Al2O3密封端面摩擦系數約為18Cr2Ni4WA 密封端面摩擦系數的39.39%~70.39%。靜環材料為噴涂Al2O3時，M120K 摩擦系數約為M120D的摩擦系數的54.88%~61.66%；靜環材料為噴涂Cr2O3時，M120K 摩擦系數約為M120D 的摩擦系數的48.05%~55.96%。

圖6 不同材料組對回流泵送密封摩擦系數的影響

在整個加速試驗過程中M120K-噴涂Al2O3螺旋槽回流泵送密封摩擦系數最小。轉速為2000 r/min時，組對1 和組對3 摩擦副密封端面均可以獲得超低摩擦系數（COF<0.01），與無槽機械密封相比，回流泵送密封端面摩擦系數最高可降低73.02%。

3.1.2 摩擦溫度分析

摩擦副密封端面的溫升是由摩擦生熱引起的，螺旋槽在減小密封端面摩擦系數的同時有效降低了摩擦產生的能量損失和端面摩擦溫升，螺旋槽回流泵送密封端面摩擦溫升約為無槽機械密封端面摩擦溫升的36.59%~65.98%，最高可降低63.41%的溫升。螺旋槽回流泵送密封的摩擦溫升趨勢較小，噴涂Al2O3的密封端面摩擦溫升最小。相同端面形式下的噴涂陶瓷密封端面摩擦溫度和摩擦溫升相近，M120K 對不同靜環摩擦溫度的影響如圖7所示。

圖7 M120K對不同靜環摩擦溫度的影響

不同材料組對回流泵送密封端面摩擦溫度的影響差距顯著，如圖8 所示。噴涂陶瓷密封端面摩擦溫度變化趨勢和摩擦溫升相近，噴涂Al2O3密封端面摩擦溫升約為18Cr2Ni4WA 密封端面摩擦溫升的31.39%~49.45%；M120K 密封端面摩擦溫度變化趨勢和摩擦溫升都較小，靜環材料為噴涂陶瓷時，M120K密封端面摩擦溫升約為M120D 密封端面摩擦溫升的50.35%~58.76%，靜環材料為18Cr2Ni4WA 時，M120K密封端面摩擦溫升與M120D 密封端面摩擦溫升差距很小。整個加速試驗過程中，M120K-噴涂Al2O3回流泵送密封摩擦溫升最小。

圖8 不同材料組對回流泵送密封端面摩擦溫度的影響

3.2 加載過程試驗

通過加載過程試驗模擬回流泵送密封啟動加壓過程中密封的端面比壓變化。

3.2.1 摩擦系數分析

所有材料組對的密封端面摩擦系數都隨載荷增大而減小，這是因為載荷的增大使密封端面接觸狀態變好，導致密封端面磨合程度更好。在相同端面形式下，噴涂陶瓷的密封端面摩擦系數差距很小，M120K對不同靜環密封摩擦系數的影響如圖9所示。

圖9 M120K對不同靜環密封摩擦系數的影響

不同材料組對回流泵送密封摩擦系數的影響如圖10 所示?；亓鞅盟兔芊馑胁牧辖M對的密封端面摩擦系數都隨載荷增大而減??；硬環為噴涂Al2O3的密封端面摩擦系數最小，軟環為M120K 的密封端面摩擦系數最小。靜環材料為噴涂Cr2O3和18Cr2Ni4WA時，M120K 摩擦系數與M120D 摩擦系數在載荷增大前期相差較大，后期差距很小，靜環材料為噴涂Al2O3時，M120K 摩擦系數與M120D 摩擦系數差距始終很小，說明與不同動環材料組對時，噴涂Al2O3材料的密封端面磨合穩定性較好。

圖10 不同材料組對回流泵送密封摩擦系數的影響

在整個加載試驗過程中M120K-噴涂Al2O3螺旋槽回流泵送密封摩擦系數最小。載荷為200 N 時，組對1和組對3摩擦副密封端面均可以獲得超低摩擦系數（COF<0.01），與無槽機械密封相比，回流泵送密封端面摩擦系數最高可降低54.19%。

3.2.2 摩擦溫度分析

在加載過程中，螺旋槽回流泵送密封端面摩擦溫度增大趨勢比無槽機械密封端面摩擦溫度增大趨勢小，螺旋槽回流泵送密封端面摩擦溫升約為無槽機械密封端面摩擦溫升的60.48%~68.85%，最高可降低39.52%的溫升。噴涂Al2O3的密封端面摩擦溫升最小。M120K對不同靜環摩擦溫度的影響如圖11所示。

圖11 M120K對不同靜環摩擦溫度的影響

對于回流泵送密封而言，噴涂Al2O3密封端面摩擦溫度變化趨勢和摩擦溫升都較小，噴涂Al2O3密封端面摩擦溫升約為18Cr2Ni4WA 密封端面摩擦溫升的45.82%~53.63%，約為噴涂Cr2O3密封端面摩擦溫升的71.15%~88.56%；M120K 密封端面摩擦溫度和摩擦溫升都較小。整個加載試驗過程中，M120K-噴涂Al2O3回流泵送密封摩擦溫升最小。不同材料組對回流泵送密封摩擦溫度的影響如圖12所示。

圖12 不同材料組對回流泵送密封摩擦溫度的影響

3.3 磨損情況

采用白光干涉儀測量啟動過程試驗后的密封端面粗糙度值和微觀形貌，結果見表6。從表中可見，試驗后有槽回流泵送密封端面粗糙度比無螺旋槽機械密封端面粗糙度??；動環材料中M120D 密封端面粗糙度比M120K 粗糙度??；靜環材料中噴涂Al2O3密封端面粗糙度最小。

表6 摩擦副粗糙度變化

由于M120K 密封端面硬度低，其密封端面磨損比M120D 略微嚴重，但粗糙度數值差距不大，三維形貌結果如圖13所示。

圖13 不同動環的密封端面3維形貌

試驗后不同動環的密封端面SEM 如圖14 所示。從圖中可見，石墨因其多孔結構和較差的機械性能容易發生磨損，磨損形式有材料剝落、塑性變形，其摩擦表面存在粗糙的磨損裂紋和磨屑。此外相比之下有槽密封的摩擦表面更平滑，其磨損程度較輕，這意味著螺旋槽具有一定的減摩作用。

圖14 不同動環的密封端面SEM

M120D 石 墨 與M120K 石 墨 的 磨 痕W4f 的XPS 價帶能區如圖15 所示。如圖7（a）所示，M120D 的擬合峰位置顯示了大量WO3（在34.5 ev 和36.7 ev 下），這是由于摩擦過程中WC（在31.8 ev 和33.9 ev 下）的氧化。相比之下，在M120K 摩擦磨損過程中，可以觀察到相對少量的WO3，這意味著浸樹脂與浸銻相比，不僅可以改善石墨的摩擦學性能，而且可以提高摩擦副的抗氧化性能。

圖15 不同動環的密封端面XPS

試驗后噴涂Al2O3和噴涂Cr2O3密封端面無明顯磨損，密封端面存在輕微粘附；18Cr2Ni4WA 密封端面磨損較嚴重，磨損形式為粘著磨損，密封端面粘附較多。這是因為噴涂Al2O3和噴涂Cr2O3密封端面硬度高，18Cr2Ni4WA 密封端面硬度低，18Cr2Ni4WA 密封端面更容易磨損，結果如圖16所示。

圖16 不同靜環的密封端面3維形貌

4 結論

（1）螺旋槽能夠減小密封端面摩擦面積、產生動壓效應、提供2 次油源、容納磨損顆粒，從而有效提升摩擦副潤滑特性，減少表面磨損，大幅降低摩擦系數和摩擦溫升。

（2）表面噴涂陶瓷可使密封端面磨損程度輕，有效增大摩擦副表面硬度，提高摩擦副抗磨損性能。

（3）在適當工況下，M120K-噴涂Al2O3和M120K-噴涂Cr2O3，均可使回流泵送密封機構獲得超低摩擦系數（COF<0.01）。

（4）在6 組材料組對中，M120K-噴涂Al2O3可使螺旋槽回流泵送密封機構的摩擦系數、摩擦溫升和磨損程度最小。