斯特林機(jī)PTFE密封材料的可靠性試驗(yàn)

張龍,周呈,何金平

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

斯特林機(jī)的熱量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功效率很高，學(xué)術(shù)上計(jì)算的斯特林循環(huán)的做功效率等于熱量學(xué)計(jì)算的卡諾效率，根據(jù)研究的斯特林機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)際的效率可以達(dá)到32%至40%，更高甚至能達(dá)到47%[1]。其中工質(zhì)密封是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)和最難解決的技術(shù)之一。氣體工質(zhì)的泄露將直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率和效率的降低，重則還會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的安全問題。因此，密封材料的耐磨性、自潤(rùn)滑性與斯特林機(jī)的功率、效率和可靠性密切相關(guān)。本文選用幾種不同的往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)，建立實(shí)際工程應(yīng)用的工作參數(shù)，對(duì)LR05、1403、705 3種常用于斯特林機(jī)的PTFE材料開展摩擦學(xué)試驗(yàn)。

1 PTFE材料的靜動(dòng)摩擦系數(shù)試驗(yàn)

密封材料的靜動(dòng)摩擦系數(shù)是使用密封材料的關(guān)鍵指標(biāo)之一，通過測(cè)試材料的靜動(dòng)摩擦系數(shù)，從而可以分析材料的粘滑行為。材料的靜態(tài)摩擦系數(shù)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)研究，對(duì)于材料選用是非常重要的，特別是靜態(tài)密封件的選用更加重要。

1.1 試驗(yàn)裝置及方法

測(cè)試裝置選用日本新東科學(xué)株式會(huì)社制造的14FW往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，適用于各種平板材料或涂層表面餓摩擦、磨損及劃痕試驗(yàn)，可根據(jù)面壓、線壓、點(diǎn)壓及樣品的相互組合進(jìn)行測(cè)量。還可利用摩擦磨損解析軟件輕松顯示繁瑣的進(jìn)行平均動(dòng)摩擦運(yùn)算，避免操作者個(gè)體誤差的產(chǎn)生，通過黏彈性動(dòng)作將黏滑性細(xì)致地用波形表現(xiàn)出來，儀器的技術(shù)參數(shù)如下。

溫度范圍:0～50 ℃；加載范圍:0.1～20 N；運(yùn)動(dòng)方式：?jiǎn)蜗?、往?fù)；移動(dòng)距離：1～100 mm；往復(fù)線速度：6～1 200 mm/min。斯特林機(jī)是往復(fù)型機(jī)器，在工作過程中活塞桿連桿組運(yùn)動(dòng)速度不是恒定的，機(jī)內(nèi)循環(huán)壓力也一直處于變化過程之中。因此，試驗(yàn)過程中設(shè)定不同的相對(duì)滑動(dòng)速度，施加不同的壓力，對(duì)于活塞環(huán)密封部件和干密封部件可靠性研究非常重要[2]。試驗(yàn)選用高載低速、低載高速2種工況進(jìn)行動(dòng)靜摩擦系數(shù)的測(cè)定。試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 PTFE材料靜動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)量參數(shù)

1.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

圖1所示為14FW往復(fù)摩擦試驗(yàn)在高載低速條件測(cè)得的3種PTFE材料靜動(dòng)摩擦系數(shù)，通過對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出:LR05材料的摩擦系數(shù)最大，靜摩擦系數(shù)達(dá)到了0.070，動(dòng)摩擦系數(shù)達(dá)到0.064，靜摩擦系數(shù)分別比705材料和1403材料高出了22.3%和32.3%，動(dòng)摩擦系數(shù)分別比705材料和1403材料高出了39.4%和42.9%。通過3種PTFE材料的靜動(dòng)摩擦系數(shù)差值對(duì)比圖(見圖2)可觀察到，LR05在高載低速度工況下的靜動(dòng)摩擦系數(shù)差值最低。根據(jù)機(jī)械粘滑特性理論認(rèn)為，靜動(dòng)摩擦系數(shù)越接近，出現(xiàn)黏滑現(xiàn)象的可能性越小。

圖1 高載低速工況下3種材料靜動(dòng)摩擦系數(shù)

圖2 高載低速工況下3種材料靜動(dòng)摩擦系數(shù)差值

圖3所示為14FW往復(fù)摩擦試驗(yàn)在低載高速條件測(cè)得的3種PTFE材料靜動(dòng)摩擦系數(shù)。對(duì)比分析可以看出，LR05仍然呈現(xiàn)最大的摩擦系數(shù)，靜摩擦系數(shù)達(dá)到了0.077，動(dòng)摩擦系數(shù)達(dá)到0.069，靜摩擦系數(shù)分別比705材料和1403材料高出了14.4%和25.1%，動(dòng)摩擦系數(shù)分別比705材料和1403材料高出了5.4%和33.8%；通過3種PTFE材料的靜動(dòng)摩擦系數(shù)差值對(duì)比圖(見圖4)可以看出，LR05在低載高速度條件下的靜動(dòng)摩擦系數(shù)差值卻未如高載低速條件下一樣呈現(xiàn)最小差值，反而最大，即該工況下其出現(xiàn)粘滑現(xiàn)象的可能性較大。

圖3 低載高速工況下3種材料靜動(dòng)摩擦系數(shù)

圖4 低載高速工況下3種材料靜動(dòng)摩擦系數(shù)差值

通過試驗(yàn)可看出3種PTFE材料靜動(dòng)摩擦系數(shù)在不同的速度、壓力工況下呈現(xiàn)較穩(wěn)定狀態(tài)，靜動(dòng)摩擦系數(shù)差值卻變化較大，即機(jī)械粘滑理論認(rèn)為的出現(xiàn)粘滑可能性變化較大。另外，測(cè)量的摩擦系數(shù)較小，也不能說明磨損量也小[3]。因此，有必要針對(duì)材料在不同滑動(dòng)速度，施加不同的正壓力下，探討磨損量變化規(guī)律，綜合評(píng)判斯特林機(jī)常用的PTFE材料的工作性能。

2 微動(dòng)往復(fù)條件下PTFE材料磨損性能試驗(yàn)

磨損的形式非常多，一致認(rèn)同的有四種磨損形式：粘著磨損；磨粒磨損(磨料磨損)；疲勞磨損；化學(xué)磨損。但是材料的實(shí)際磨損情況相對(duì)比較復(fù)雜，可能多種磨損形式一起起到作用，也有可能是一種磨損形式導(dǎo)致其他磨損形式的出現(xiàn)[4-5]。

2.1 試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)裝置采用美國(guó)CETR公司生產(chǎn)的UMT-2型摩擦試驗(yàn)機(jī)，使用鋼球在試驗(yàn)材料表面上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，傳感器記錄整個(gè)過程中的受力情況。UMT-2可以設(shè)定不同的載荷、不同的滑動(dòng)速率，以及改變周圍環(huán)境溫度條件，試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠，可以作為摩擦性能研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)機(jī)具體參數(shù)如下。

加載范圍：0.1～500 N；

往復(fù)摩擦線速度：0.1～30 m/s；

轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦線速度：0.1～2 m/s；

對(duì)偶材料：Gcr15鋼球，直徑5.0 mm。

選用高載低速、低載高速兩種試驗(yàn)條件下，分別進(jìn)行摩擦系數(shù)和磨損量測(cè)定。試驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 微動(dòng)往復(fù)條件下材料磨損性能測(cè)試工況表

2.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

在負(fù)荷12 N，頻率0.5 Hz，線速度0.005 m/s條件下，對(duì)3種材料的摩擦系數(shù)見圖5。從圖5發(fā)現(xiàn)，隨著相互摩擦運(yùn)動(dòng)距離的增長(zhǎng)，3種材料的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)逐漸增加的走勢(shì)。這表明在此試驗(yàn)條件下，3 600 s的滑動(dòng)時(shí)間內(nèi)材料的摩擦熱平衡仍未完全達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其中705材料的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)最大值，1403與LR05材料的摩擦系數(shù)非常接近。

圖5 高載低速條件PTFE材料摩擦性能

從材料的體積磨損量變化可以看出(見圖6)，LR05呈現(xiàn)相對(duì)最差的耐磨性；705材料相對(duì)其他2種材料具有更佳的耐磨性能。

圖6 高載低速條件下PTFE材料的磨損量

在負(fù)荷3 N，頻率2.0 Hz，線速度0.02 m/s條件下，3種材料的摩擦磨損性能對(duì)比見圖7。從圖7發(fā)現(xiàn)，隨著相互運(yùn)動(dòng)距離的增長(zhǎng)，3種材料的摩擦系數(shù)均呈現(xiàn)逐漸增加的走勢(shì)，并且最終均達(dá)到了相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。這表明，在此試驗(yàn)條件下，3 600 s的滑動(dòng)時(shí)間內(nèi)，材料的摩擦熱完全達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其中705材料的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)相對(duì)最高；1403材料的摩擦系數(shù)相對(duì)其他兩種材料最低；從材料的體積磨損中可以發(fā)現(xiàn)(見圖8)，LR05的呈現(xiàn)中相對(duì)最低的耐磨性；1403材料具有更佳的耐磨性能。

圖7 低載高速條件PTFE材料摩擦性能

圖8 低載高速條件下PTFE材料的磨損量

通過兩種試驗(yàn)工況的對(duì)比，可以看出載荷和速度對(duì)3種材料摩擦磨損性能方面的影響。隨著載荷的增大，材料由于變形導(dǎo)致摩擦副的接觸面積不斷增大，因此導(dǎo)致了摩擦力的增加，材料受到往復(fù)滑動(dòng)的剪切作用應(yīng)力增大，導(dǎo)致表面磨損逐漸劇烈，因此磨損量逐漸增大。而由于滑動(dòng)速度的增大，導(dǎo)致摩擦熱的劇烈上升，從而會(huì)導(dǎo)致材料摩擦表面的積聚熱量無法得到釋放與平衡。因此，材料表面受到高溫環(huán)境下的剪切作用導(dǎo)致材料磨損加大。所以高性能斯特林機(jī)密封材料，若要保證密封材料在高速度工況條件下密封材料的高性能和有效性，不僅需要從摩擦學(xué)角度考慮降低其摩擦系數(shù)，材料的抗承載能力和高承載作用下材料的耐磨損性能是對(duì)設(shè)計(jì)密封材料所要關(guān)注的重點(diǎn)，還需要進(jìn)一步考慮材料在高溫環(huán)境下材料的潤(rùn)滑與耐磨損能力，在高溫環(huán)境下材料具有較小的變形能力，選擇高速工況條件下摩擦溫度上升幅度較小的材料。實(shí)現(xiàn)斯特林機(jī)密封裝置良好的密封性能、較低的摩擦功耗以及較長(zhǎng)的使用壽命。

3 結(jié)論

針對(duì)斯特林機(jī)密封部件用PTFE復(fù)合材料，試驗(yàn)分析了BELDAM CROSSLEY公司生產(chǎn)的Crossflon LR、Crossflon 1403、Crossflon705這3種材料在低載高速條件和高載低速兩種工況下的摩擦磨損性能。以試驗(yàn)結(jié)果作為密封部件材料選擇的依據(jù)，發(fā)現(xiàn)Crossflon LR、Crossflon705PTFE材料的高溫耐磨性有待于進(jìn)一步提高，潤(rùn)滑性能不能滿足要求；Crossflon 1403的摩擦系數(shù)相對(duì)其他兩種材料最低，具有更佳的耐磨性能。由于實(shí)驗(yàn)所用的摩擦試驗(yàn)機(jī)是通用實(shí)驗(yàn)儀器，不能實(shí)現(xiàn)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)復(fù)雜且多變的工況條件。因此，有必要在后續(xù)研究中對(duì)復(fù)合材料在復(fù)雜的、持續(xù)變化的、更接近斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行的工況條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。