尾軸密封用高速高壓唇形密封圈失效研究

(西安航天動力研究所， 陜西 西安 710100)

引言

魚雷是水下作戰(zhàn)的重要戰(zhàn)術(shù)裝備，其推進(jìn)裝置中尾軸與殼體之間設(shè)置的旋轉(zhuǎn)動密封稱為尾軸密封，其主要作用是阻止雷體外的海水(或淡水)進(jìn)入雷體內(nèi)部[1]。尾軸密封直接關(guān)系到魚雷的保障性，而良好的保障性直接關(guān)系到魚雷能否真正形成戰(zhàn)斗力。隨著對魚雷性能要求日益提高，對尾軸密封性能的要求也越來越高。眾所周知，尾軸密封的工況十分惡劣，經(jīng)常需要面對交變高轉(zhuǎn)速以及高壓差的惡劣工況，此外還易受到振動、沖擊、搖擺、軸系彎曲、變形等的因素影響[2]。

目前常用的魚雷尾軸密封形式有橡膠O形圈密封、機(jī)械密封以及帶有金屬骨架的唇形密封結(jié)構(gòu)[3]。西安航天動力研究所自主研制唇式密封結(jié)構(gòu)，如圖1a所示，內(nèi)徑方向的唇口稱之為內(nèi)唇，外徑方向的唇口稱之為外唇。潤滑油容易進(jìn)入密封唇表面，內(nèi)唇有一個(gè)錐形骨架用于承受較高的液壓，外唇與腔體孔間隙較大。在高壓作用下，由于膠料硬度合適，橡膠材料可以向外唇移動，填滿外圓根部的間隙，從而增大了接觸面積，減少了內(nèi)唇與軸的接觸應(yīng)力，有效減少必要摩擦，防止了內(nèi)唇的金屬骨架根部的膠料與軸摩擦，可以降低溫升，提高產(chǎn)品的使用壽命。為研究唇形密封圈的工作性能，對其工作的受力進(jìn)行了分析，如圖1b所示。唇形密封圈受到高壓流體的作用流體壓力Fp，唇形密封圈唇口擴(kuò)展，與高速摩擦的旋轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生摩擦力，流體壓力越高，摩擦力越大，進(jìn)而產(chǎn)生大量的摩擦熱，導(dǎo)致唇形密封圈唇口在高溫下老化以及磨損。

隨著魚雷技術(shù)的不斷發(fā)展，尾軸密封循環(huán)參數(shù)(壓差、轉(zhuǎn)速)增高，使得密封的工作條件日趨苛刻，唇形密封結(jié)構(gòu)的有效性以及可靠性變得越來越重要[4-5]。本研究針對某魚雷尾軸密封用唇形密封圈在高速、高壓差交變條件下測試過程中出現(xiàn)密封泄漏故障，通過唇形密封圈失效形貌特征以及紅外光譜進(jìn)行深入分析，確定其失效原因?yàn)檎持p以及材料老化，因此通過采用產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高密封的耐熱性以及降低材料表面的摩擦系數(shù)等途徑，解決了唇形密封圈失效的這一難題。

圖1 唇形密封圈結(jié)構(gòu)以及工作時(shí)受力結(jié)構(gòu)示意圖

1 唇形密封圈密封性能測試

該唇形密封圈采用丁腈橡膠以及金屬骨架復(fù)合壓制而成，由西安航天動力研究所提供。唇形密封圈性能的測試在模擬試驗(yàn)器上進(jìn)行，模擬器的簡易原理圖，如圖2所示，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為0～4000 r/min，壓差為0～5 MPa，整個(gè)試驗(yàn)過程中壓力與轉(zhuǎn)速的非恒定值，在上述范圍值內(nèi)進(jìn)行交替波動。整個(gè)試驗(yàn)過程中設(shè)置有泄漏報(bào)警裝置，并記錄整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，作為唇形密封圈密封性能好壞判斷的依據(jù)，額定工作時(shí)間為4450 s，達(dá)到工作時(shí)間后試驗(yàn)器自動停止工作。

試驗(yàn)結(jié)果表明：模擬試驗(yàn)器運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，低壓向高壓變化的過程中，泄漏報(bào)警裝置報(bào)警，發(fā)生泄漏現(xiàn)象。將唇形密封圈從試驗(yàn)器分解后檢查發(fā)現(xiàn)唇形密封圈的唇部破損，如圖3所示，從而導(dǎo)致密封失效，重新更換唇形密封圈后，在同樣的階段，故障重現(xiàn)。

2 唇形密封圈失效原因分析

2.1 唇形密封圈失效形貌特征

在唇形密封圈分解過程中，重點(diǎn)對唇形密封圈表面進(jìn)行了仔細(xì)檢查。經(jīng)檢查， 發(fā)現(xiàn)唇形密封圈內(nèi)唇表面嚴(yán)重變形，表面存在嚴(yán)重龜裂的裂紋、硬化現(xiàn)象以及磨損特征，如圖4以及圖5所示，唇形密封圈已經(jīng)嚴(yán)重失效，是材料老化的典型特征[7]。通常引起老化的主要原因是熱、氧、電以及高能輻射等因素，分析整個(gè)試驗(yàn)過程，由于內(nèi)唇表面為旋轉(zhuǎn)動密封，在高速摩擦作用下，會積聚大量的熱，同時(shí)接觸空氣中的氧，很容易產(chǎn)生熱氧老化，造成密封材料損壞。為進(jìn)一步驗(yàn)證是否為材料老化，通過紅外光譜對試驗(yàn)前后的產(chǎn)品進(jìn)行了分析。

圖2 模擬試驗(yàn)器原理圖

圖3 唇形密封圈失效

圖4 唇形密封圈表面龜裂

圖5 唇形密封圈表面硬化

2.2 唇形密封圈失效紅外光譜分析

將產(chǎn)品表面的潤滑脂擦拭干凈后，對試驗(yàn)前后的唇形密封圈進(jìn)行了紅外光譜分析，如圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)前的唇形密封圈在1130 cm-1處有明顯的特征吸收峰，而試驗(yàn)后該處的特征吸收峰明顯消失。1130 cm-1處應(yīng)為烯烴雙鍵上的-CH的彎曲振動，該處位置特征吸收峰消失，表明丁腈橡膠大分子鏈雙鍵含量急劇降低，進(jìn)一步說明丁腈橡膠大分子鏈發(fā)生了嚴(yán)重的交聯(lián)反應(yīng)，而丁腈橡膠熱氧老化的機(jī)理為橡膠大分子鏈的過度交聯(lián)[8]，從而宏觀上表現(xiàn)為材料硬化以及表面龜裂，進(jìn)一步印證了上述關(guān)于材料老化的闡述。

圖6 唇形密封圈試驗(yàn)前后的紅外光譜

通過分析整個(gè)試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)過程以及結(jié)合紅外光譜分析結(jié)果，唇形密封圈與旋轉(zhuǎn)軸接觸表面產(chǎn)生嚴(yán)重的相對滑動，由于粘著效應(yīng)所形成的粘著節(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂，被剪切的材料脫落成磨屑，或由一個(gè)表面遷移到另一個(gè)表面，產(chǎn)生嚴(yán)重的橡膠與金屬之間的粘著磨損[9]，此外摩擦副相對運(yùn)動還會產(chǎn)生大量的摩擦熱，導(dǎo)致材料老化，從而達(dá)到材料的上限使用溫度。二者共同作用下導(dǎo)致唇形密封圈密封失效。

3 唇形密封圈性能優(yōu)化

根據(jù)前文分析結(jié)果，唇形密封圈失效主要原因?yàn)檎持p以及材料老化，粘著磨損中作為摩擦副橡膠材料性能主要影響因素為材料撕裂性能以及耐高溫性能，材料的老化性能同樣跟材料耐高溫性有著密切聯(lián)系[7]。為有效的解決這一問題，從提升材料撕裂強(qiáng)度、材料的耐高溫性以及降低材料摩擦系數(shù)等方面出發(fā)，對產(chǎn)品性能進(jìn)行優(yōu)化，試圖將這一問題解決。

3.1 優(yōu)化唇形密封圈密封材料的性能

1) 提升密封材料撕裂強(qiáng)度

唇形密封圈與光滑軸相對滑動，對膠料產(chǎn)生剪切作用，實(shí)際相當(dāng)于微觀下的動態(tài)撕裂[10]。依據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，目前產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)跟試驗(yàn)工況要求相差較近，由此提出通過提升材料撕裂強(qiáng)度這一途徑，能夠提高唇形密封圈的性能，進(jìn)而滿足試驗(yàn)工況的要求。在丁腈橡膠材料的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整配方中配合劑從而制備得到了具有不同撕裂強(qiáng)度的材料性能，材料性能如表1所示。在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)隨著材料撕裂強(qiáng)度的增加，唇形密封圈的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間增加，從優(yōu)化前的2000 s左右提升至4350 s，但未完成額定工作時(shí)間。由此表明，雖然提升材料的撕裂強(qiáng)度可以提升唇形密封圈的性能，但無法解決密封失效的這一難題。試驗(yàn)結(jié)束后，分解檢查產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品表面依然存在龜裂以及硬化現(xiàn)象。由此可以推斷，雖然提高材料的撕裂強(qiáng)度可以降低唇形密封圈的粘著磨損，但是材料耐高溫性應(yīng)為決定唇形密封圈密封性能的關(guān)鍵性因素。另外從材料老化以及粘著磨損均與材料耐高溫性能相關(guān)。因此考慮將研究方向調(diào)整為優(yōu)化材料的耐高溫性能。

表1 唇形密封圈密封材料的性能以及試驗(yàn)結(jié)果

2) 提升密封材料耐高溫性

為研究材料耐高溫性能對唇形密封圈密封性能的影響，采用丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、二元氟橡膠以及偏氟醚橡膠制備4種耐溫級別不同材料種類唇形密封圈，其中丁腈橡膠(NBR)的上限使用溫度為120 ℃(短期)，氫化丁腈橡膠(HNBR)上限使用溫度為160 ℃(短期)，二元氟橡膠(FKM)上限使用溫度為230 ℃(短期)，偏氟醚橡膠(FM)上限使用溫度為250 ℃(長期)，4種材料耐高溫性分別為FM>FKM>HNBR>NBR。在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)，隨著材料耐高溫性提高，唇形密封圈密封性能增加(氫化丁腈橡膠與氟橡膠相當(dāng))，特別是偏氟醚橡膠產(chǎn)品達(dá)到了額定工作時(shí)間，因此提升材料耐高溫性能可以有效的解決密封失效這一難題。

表2 不同唇形密封圈密封材料的性能以及試驗(yàn)結(jié)果

3.2 降低材料表面摩擦系數(shù)

雖然采用偏氟醚橡膠材料的唇形密封圈可以有效的解決密封泄漏這一難題，但其造價(jià)十分昂貴，在實(shí)際工程應(yīng)用上的性價(jià)比不高，無法得到有效地推廣。根據(jù)上述所述唇形密封圈失效的主要原因?yàn)槟Σ辽鸁釋?dǎo)致的材料的老化，因此假設(shè)降低材料的摩擦系數(shù)，可以有效的降低摩擦生熱，緩解材料老化，從而解決密封失效這一難題。為降低材料表面的摩擦系數(shù)，采用橡膠基體中添加減磨填料，唇形密封圈唇口噴涂PTFE涂層以及唇形密封圈唇口粘貼PTFE薄膜3種方法，改進(jìn)后3種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。根據(jù)文獻(xiàn)記載[11-13]，材料表面粘貼PTFE薄膜材料摩擦系數(shù)約為0.169，表面噴涂PTFE涂層材料摩擦系數(shù)約為0.347，填充減磨填料材料摩擦系數(shù)約為0.435，橡膠材料本身摩擦系數(shù)約為0.5，由此可見3種改進(jìn)方法摩擦系數(shù)的大小為：唇形密封圈唇口粘貼PTFE薄膜<唇形密封圈唇口噴涂PTFE涂層<橡膠基體中添加減磨填料<橡膠材料。

上述4種材料制備的產(chǎn)品在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從表中可以發(fā)現(xiàn)，降低材料的摩擦系數(shù)，可以有效地提高唇形密封圈產(chǎn)品的密封性能特別是唇口粘貼PTFE薄膜的方法，通過模擬試驗(yàn)器的考核，特別值得關(guān)注的是該優(yōu)化方案中采用相同的丁腈橡膠作為基體材料，僅僅通過內(nèi)唇表面粘貼PTFE薄膜達(dá)到了與偏氟醚橡膠同樣的效果，具有很高的性價(jià)比，可以有效地解決密封失效這一難題。

圖7 唇形密封圈降低表面摩擦系數(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖

此外，從表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)唇噴涂PTFE涂層的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間要低于橡膠基體中添加減磨填料的產(chǎn)品，與上文中降低材料的摩擦系數(shù)，可以提高材料密封性能的假設(shè)不符。為分析其原因，對試驗(yàn)后產(chǎn)品內(nèi)唇噴涂PTFE涂層產(chǎn)品進(jìn)行分解檢查后發(fā)現(xiàn)，表面涂層存在脫落現(xiàn)象，由此可以推斷雖然PTFE涂層的產(chǎn)品摩擦系數(shù)要低于橡膠基體中添加減磨填料的產(chǎn)品，但在試驗(yàn)后期由于涂層脫落，不僅涂層未起到減磨效果甚至還有可能增加材料粘著磨損，從而加速密封失效，因此產(chǎn)品內(nèi)唇噴涂PTFE涂層的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間要低于橡膠基體中添加減磨填料的產(chǎn)品。

表3 唇形密封圈降低表面摩擦系數(shù)后的試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 唇形密封圈失效機(jī)理為橡膠與金屬粘著磨損以及摩擦生熱二者共同作用，材料發(fā)生老化以及磨損，其中材料老化起主導(dǎo)作用，導(dǎo)致材料斷裂，唇形密封圈密封失效；

(2) 通過使用耐高溫性更好的材料(氟醚橡膠)，提高了材料的的耐高溫性，進(jìn)而材料在受到大量摩擦生熱極端工作環(huán)境下，材料能夠承受高溫，可以防止材料發(fā)生老化以及龜裂，提供唇形密封圈的密封性能，進(jìn)而可以有效的解決密封失效的難題；

(3) 采用唇口包覆聚四氟乙烯技術(shù)，可以有效地降低材料表面的摩擦系數(shù)，進(jìn)而降低摩擦生熱，降低唇形密封圈唇口部位的溫度，可以有效的防止材料發(fā)生老化以及龜裂，可以解決密封失效的難題，同時(shí)具有很高的經(jīng)濟(jì)性以及工程性價(jià)比。