噴油潤滑型激光臉機(jī)械密封試驗(yàn)研究*

王銘章 胡廣陽 馬 婷 郝木明 任寶杰 李勇凡

（1. 中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所 遼寧沈陽 110015； 2. 中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧沈陽 110015； 3. 中國石油大學(xué)（華東） 新能源學(xué)院 山東青島 266580；4. 東營海森密封技術(shù)有限責(zé)任公司 山東東營 257000）

機(jī)械密封在旋轉(zhuǎn)設(shè)備中應(yīng)用廣泛， 其可靠性直接影響設(shè)備乃至裝置整體的正常運(yùn)行[1］。 隨著各工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步， 對機(jī)械密封也提出了更高要求[2-3］。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是航空飛行器的心臟， 目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最廣泛的是平端面接觸式機(jī)械密封。 由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速、 頻繁啟停、 振動(dòng)劇烈等惡劣工況，該機(jī)械密封易出現(xiàn)磨損嚴(yán)重、 溫升過高、 熱裂等問題而過早失效。 端面開設(shè)有一定槽型結(jié)構(gòu)的機(jī)械密封， 因其潤滑狀態(tài)良好、 泄漏率低等特點(diǎn)已逐漸在各領(lǐng)域得到應(yīng)用[4］。 其工作原理是通過在密封端面開設(shè)微米級淺槽， 利用流體動(dòng)壓效應(yīng)， 將流體介質(zhì)主動(dòng)引入密封端面， 促進(jìn)端面間流體膜的形成， 達(dá)到潤滑、 冷卻和減磨的效果[5-6］。

在機(jī)械密封實(shí)驗(yàn)研究方面， 對運(yùn)轉(zhuǎn)之后密封端面狀態(tài)的分析是實(shí)驗(yàn)測試的重點(diǎn)目標(biāo)之一。 任寶杰等[7］建立了一套機(jī)械密封性能實(shí)驗(yàn)裝置， 可在不同壓力、轉(zhuǎn)速、 溫度條件下對多種型式機(jī)械密封的端面溫度、膜壓和膜厚等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。 吳兆山等[8］開展了深槽型機(jī)械密封的干運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究， 并提出密封端面結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能有一定的影響。 謝尚翔[9］以氣體潤滑傾斜橢圓微孔端面密封為研究對象， 研究了其磨損特性， 分析了端面織構(gòu)對改善潤滑和抑制磨損的效果。 CHEN 等[10］對多尺度復(fù)合織構(gòu)端面密封的摩擦扭矩進(jìn)行了測量， 證明了該種織構(gòu)對密封的潤滑改善作用。 張國淵等[11］通過理論和試驗(yàn)研究了低溫高速動(dòng)靜結(jié)合型機(jī)械密封的性能， 實(shí)現(xiàn)了機(jī)械密封以開啟力／泄漏量最大及液膜產(chǎn)生的溫升較小為目標(biāo)的優(yōu)化。

激光臉 （Laser Face） 槽型是由約翰·克蘭（John Crane） 公司于20 世紀(jì)末發(fā)明的一種新型機(jī)械密封端面槽型[12］。 在流體動(dòng)壓效應(yīng)作用下， 該槽型可以實(shí)現(xiàn)對密封端面的充分潤滑， 不僅可以減少密封端面的摩擦磨損， 控制泄漏量， 還可以實(shí)現(xiàn)良好的冷卻效果， 降低密封端面溫度， 預(yù)防因溫度過高導(dǎo)致密封環(huán)熱裂而失效的情況發(fā)生[13］。 因此激光臉機(jī)械密封在沒有輔助系統(tǒng)冷卻的情況下可良好運(yùn)行， 且?guī)缀蹩梢赃m用于所有的潔凈液體或含微量雜質(zhì)的液體， 適用范圍廣泛[14］。

針對某航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣傳動(dòng)軸端機(jī)械密封易提早失效的問題， 本文作者提出在其端面開設(shè)激光臉槽型的改進(jìn)方法。 為了驗(yàn)證激光臉槽型機(jī)械密封的運(yùn)轉(zhuǎn)性能， 在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬噴油潤滑環(huán)境及高轉(zhuǎn)速和變轉(zhuǎn)速工況特征， 考察該機(jī)械機(jī)械密封的摩擦磨損特性、 熱特性和泄漏情況。

1 密封結(jié)構(gòu)

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣傳動(dòng)軸端機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 用于密封軸承潤滑油的噴油潤滑型端面密封由靜環(huán)和動(dòng)環(huán)組成。 針對該機(jī)械密封易提早失效的問題， 在其端面開設(shè)了激光臉槽型。 圖2 所示為開設(shè)于非補(bǔ)償型動(dòng)環(huán)端面的激光臉槽型結(jié)構(gòu)。 在運(yùn)轉(zhuǎn)條件下， 端面外徑處的潤滑油介質(zhì)可在近似矩形的引流槽作用下充分進(jìn)入密封端面， 并在弓形的回流槽作用下被反輸至端面外徑側(cè)， 在對端面充分潤滑的同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)良好的冷卻效果[15］。

圖2 激光臉槽型結(jié)構(gòu)（mm）Fig.2 Geometry of the lase-face grooves on the rotor face （mm）

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)工裝

為了驗(yàn)證激光臉槽型機(jī)械密封的運(yùn)轉(zhuǎn)性能， 在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬機(jī)械密封的噴油潤滑工況， 設(shè)計(jì)了如圖3 所示的試驗(yàn)工裝。 由于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)動(dòng)環(huán)端面會(huì)將潤滑油“甩離”， 削弱摩擦副的潤滑和冷卻效果， 因此設(shè)計(jì)了鋁質(zhì)節(jié)流環(huán)， 通過O 形圈與內(nèi)壓蓋配合， 與動(dòng)環(huán)外圓形成間隙密封。 通過實(shí)測判斷， 潤滑油可充滿節(jié)流環(huán)與動(dòng)環(huán)圍成的“小腔”， 使摩擦副外徑處能夠浸在潤滑油中。

圖3 噴油潤滑機(jī)械密封試驗(yàn)工裝Fig.3 Test assembly of oil-injected lubricated mechanical seal

2.2 輔助系統(tǒng)

試驗(yàn)介質(zhì)為某型號航空潤滑油， 利用數(shù)字式黏度計(jì)測量潤滑油在不同溫度下的黏度， 根據(jù)測量結(jié)果擬合黏溫公式， 其黏溫特性如圖4 所示。

圖4 潤滑油黏溫特性Fig.4 Viscosity-temperature relationship of the lubricant

潤滑油供給輔助系統(tǒng)方案如圖5 所示， 主要由集成液壓站、 調(diào)節(jié)閥、 Y 形過濾器及管路等組成。 集成液壓站可以起到對介質(zhì)進(jìn)行儲(chǔ)存、 加壓及循環(huán)的作用； 液壓站上安裝有潤滑油加熱棒， 可對潤滑油進(jìn)行加熱； 加熱棒安裝于油箱內(nèi)并浸在潤滑油中。 加熱棒功率為6 kW， 可在約7 min 將集成液壓站內(nèi)的潤滑油由30 ℃加熱至120 ℃， 以滿足試驗(yàn)需求。

圖5 輔助系統(tǒng)Fig.5 Auxiliary system

2.3 試驗(yàn)方法

為探究激光臉機(jī)械密封的性能， 對小孔噴油量和小孔噴油形態(tài)進(jìn)行了測試， 對運(yùn)轉(zhuǎn)前后端面特征進(jìn)行了測量， 在變工況和穩(wěn)態(tài)工況下測試了工裝處介質(zhì)溫度、 動(dòng)環(huán)溫度、 軸套溫度、 油箱介質(zhì)溫度以及泄漏量等參數(shù)。

2.3.1 小孔噴油量和噴油形態(tài)測試

小孔直徑為0.5 mm， 長度約11 mm， 通過電火花穿孔工藝加工在內(nèi)壓蓋上。 試驗(yàn)分別在55 ～60 ℃和85～90 ℃溫度條件下以及0.15、 0.25、 0.35 MPa供壓條件下， 進(jìn)行小孔噴油測試， 記錄5 min 內(nèi)小孔噴油量和噴油形態(tài)， 得到小孔噴油率隨供油壓力的變化規(guī)律。

2.3.2 密封環(huán)端面特征測量

對試驗(yàn)前后的密封環(huán)端面特征進(jìn)行拍照記錄， 并通過光帶圖來判斷動(dòng)、 靜環(huán)端面的磨損情況。 在變工況和穩(wěn)態(tài)工況下， 測量試驗(yàn)前后動(dòng)、 靜環(huán)的端面特征。 在靜環(huán)端面均布選取4 個(gè)測量點(diǎn)， 使用數(shù)顯千分尺測量其高度， 獲得其磨損率。 使用表面輪廓儀對試驗(yàn)前后動(dòng)環(huán)槽深進(jìn)行測量， 從而判斷激光臉槽內(nèi)的積碳情況。

2.3.3 密封性能測試

分別測量變工況和穩(wěn)態(tài)工況下運(yùn)行時(shí)的動(dòng)環(huán)溫度、 軸套溫度、 工裝處介質(zhì)溫度和液壓站處介質(zhì)溫度， 以考察其溫度滿足溫度要求； 同時(shí)測量機(jī)械密封的泄漏量， 以判斷其密封性能。 具體測量項(xiàng)目、 測量手段與測量精度如表1 所示。

表1 測量項(xiàng)目及測量手段Table 1 Measurement items and means

3 結(jié)果與分析

3.1 小孔噴油量與噴油形態(tài)測試結(jié)果與分析

試驗(yàn)測得的不同溫度及壓力條件小孔噴油量與噴油形態(tài)如表2 所示。 可知， 小孔噴油率隨供油壓力的增大而增大， 也隨溫度的升高而增大。 噴油率同時(shí)受溫度影響， 是因?yàn)闈櫥宛ざ入S溫度升高而降低， 而流量與液體黏度呈反比關(guān)系， 因而有上述趨勢。 噴油率與溫度及供油壓力關(guān)系如圖6 所示。

圖6 噴油率-溫度-供油壓力關(guān)系Fig.6 Relationship of injection， temperature and pressure

由表2 可知， 在55 ～60 ℃下， 小孔噴油形狀始終為油柱狀； 在85 ～90 ℃下， 小孔噴油形狀在0.15 MPa 時(shí)仍為油柱狀， 在0.25 及0.35 MPa 下， 小孔噴油有明顯霧化現(xiàn)象， 油柱變粗且呈白色有泡沫感。 圖7、 圖8 分別展示了不同噴油溫度下的小孔噴油形態(tài)。

圖7 55～60 ℃條件下小孔噴油形態(tài)Fig.7 Orifice injection pattern from 55 ℃to 60 ℃：（a） 0.15 MPa； （b） 0.25 MPa； （c） 0.35 MPa

圖8 85～90 ℃下小孔噴油形態(tài)Fig.8 Orifice injection pattern from 85 ℃to 90 ℃：（a） 0.15 MPa； （b） 0.25 MPa； （c） 0.35 MPa

噴油測試結(jié)果表明， 較小黏度下容易形成霧狀噴油， 較大黏度下即使壓力較高、 流量較大， 也仍能保持油柱形態(tài)。 通過試驗(yàn)測試得到的供油壓力和溫度與噴油率及噴油形態(tài)的對應(yīng)關(guān)系， 可用于指導(dǎo)在實(shí)際測試中， 根據(jù)噴油率需求對供油壓力和溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制， 并獲知相應(yīng)操作條件下的噴油形態(tài)， 輔助于后續(xù)潛在的故障或失效分析。

3.2 密封參數(shù)測試結(jié)果與分析

3.2.1 靜環(huán)特征參數(shù)測試結(jié)果與分析

靜環(huán)為石墨材質(zhì)， 運(yùn)轉(zhuǎn)前端面特征如圖9 （a）、（b） 所示， 可知其端面光帶條數(shù)為1， 表明運(yùn)轉(zhuǎn)前靜環(huán)端面平面度符合要求。

長時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)后， 靜環(huán)端面特征如圖9 （c）、 （d） 所示， 可知其光帶形狀較好， 表明端面平整光滑， 磨損程度很小。 此外， 通過對比運(yùn)轉(zhuǎn)前后靜環(huán)端面4 處測點(diǎn)的高度可得其磨損量約為2 μm （如表3 所示）。 可見靜環(huán)磨損量非常小， 其原因?yàn)橐龎翰鄣募橙胄?yīng)使端面間保持較為充分的潤滑， 減少了微凸體接觸程度， 從而抑制了端面磨損， 使得密封壽命得以延長。

表3 運(yùn)轉(zhuǎn)前后靜環(huán)高度及磨損量Table 3 Height of stator before and after running and wear amount

圖9 運(yùn)轉(zhuǎn)前后靜環(huán)端面特征Fig.9 Face features of the stator before and after running：（a） photo before running； （b） optical band before running；（c） photo after running； （d） optical band after running

3.2.2 動(dòng)環(huán)特征參數(shù)測試結(jié)果與分析

開槽前的動(dòng)環(huán)端面如圖10 （a） 所示， 開槽后如圖10 （b） 所示。 開槽后對端面進(jìn)行研磨去毛刺， 使用表面輪廓儀測得槽深約為16 μm。 運(yùn)轉(zhuǎn)前動(dòng)環(huán)光帶如圖10 （c） 所示， 可知其端面光帶條數(shù)為1， 表明運(yùn)轉(zhuǎn)前動(dòng)環(huán)端面平面度符合要求。

圖10 運(yùn)轉(zhuǎn)前動(dòng)環(huán)端面特征Fig.10 Face features of the rotor before running： （a） smooth rotor face； （b） grooved rotor face； （c） optical band before running

運(yùn)轉(zhuǎn)后動(dòng)環(huán)端面特征如圖11 （a） 所示， 端面有結(jié)焦現(xiàn)象， 但容易擦拭掉（如圖11 （b） 所示）。 同時(shí)觀察到結(jié)焦為潤滑油結(jié)焦， 結(jié)合靜環(huán)磨損量小的情況， 判斷結(jié)焦原因?yàn)椋?油箱內(nèi)加熱棒附近溫度過高，造成部分潤滑油變質(zhì)， 變質(zhì)潤滑油通過介質(zhì)循環(huán)進(jìn)入端面與少量碳粉混合在高溫的環(huán)境下發(fā)生結(jié)焦。 測得積碳情況下激光臉回流槽（弓形槽） 槽深約為10 μm， 引流槽（近似矩形槽） 槽深為15 μm。 表明與運(yùn)轉(zhuǎn)前相比， 雖然端面有輕微結(jié)焦積碳現(xiàn)象， 但對槽深影響不大， 不會(huì)對密封性能造成明顯影響。 而在實(shí)際的工況中， 無需加熱潤滑油， 可避免結(jié)焦現(xiàn)象的發(fā)生。

圖11 運(yùn)轉(zhuǎn)后動(dòng)環(huán)端面特征Fig.11 Face features of the rotor after running： （a） rotor face after running； （b） partially cleaned

3.3 密封性能參數(shù)測試結(jié)果與分析

3.3.1 變工況運(yùn)行

利用變頻器自帶的“簡易PLC 功能” 可實(shí)現(xiàn)編程設(shè)置和自動(dòng)控制電機(jī)的多段速運(yùn)轉(zhuǎn)， 轉(zhuǎn)速以9 210～6 630～9 210 ～6 630 r／min 的變轉(zhuǎn)速模式連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1 h， 每20 min 記錄一次數(shù)據(jù)。

圖12 所示為變工況條件下的溫度演變過程， 可知各處溫度基本穩(wěn)定， 無明顯波動(dòng)。 表明激光臉機(jī)械密封對密封端面有著良好的冷卻效果， 能夠適應(yīng)變工況運(yùn)行。 在整個(gè)變工況試驗(yàn)過程中， 并未觀察到有泄漏的情況發(fā)生， 其泄漏量始終為0， 完全滿足密封使用需求。

圖12 變工況下溫度演變過程Fig.12 Evolutions of the temperatures at varying conditions

3.3.2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

為了對穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的密封性能參數(shù)進(jìn)行測試， 將轉(zhuǎn)速和運(yùn)行時(shí)間設(shè)為變量， 分別選取9 210 r／min 運(yùn)轉(zhuǎn)6 h、 9 210 r／min 運(yùn)轉(zhuǎn)24 h、 9 390 r／min 運(yùn)轉(zhuǎn)4 h、8 565 r／min 運(yùn)轉(zhuǎn)20 h 以及6 630 r／min 運(yùn)轉(zhuǎn)6 h 共5組不同工況， 對其介質(zhì)溫度、 動(dòng)環(huán)溫度、 試驗(yàn)工裝的軸套溫度、 油箱介質(zhì)溫度以及泄漏量進(jìn)行測試， 試驗(yàn)過程中， 每30 min 記錄一次數(shù)據(jù)。

圖13 展示了上述5 組不同工況下溫度隨時(shí)間的變化情況， 可知軸套溫度基本穩(wěn)定， 波動(dòng)較小， 而介質(zhì)溫度、 動(dòng)環(huán)溫度以及油箱介質(zhì)溫度都隨時(shí)間有小范圍的波動(dòng)， 且波動(dòng)趨勢一致。 分析其原因是因?yàn)椋?在試驗(yàn)過程中， 為了模擬真實(shí)的噴油溫度， 使用加熱棒對油箱中的介質(zhì)進(jìn)行加熱， 但此加熱過程為手動(dòng)控制， 存在一定的誤差。 長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后， 動(dòng)環(huán)溫度和軸套溫度都沒有明顯增加， 整體保持穩(wěn)定， 說明激光臉機(jī)械密封對密封端面有良好的冷卻效果， 能夠適應(yīng)長時(shí)間、 高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行工況。

圖13 穩(wěn)態(tài)工況下溫度演變過程Fig.13 Evolutions of the temperatures at steady-state conditions： （a） 9 210 r／min， 6 h； （b） 9 210 r／min，24 h； （c） 9 390 r／min， 4 h； （d） 8 565 r／min， 20 h； （e） 6 630 r／min， 6 h

在整個(gè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中， 無論轉(zhuǎn)速或運(yùn)行時(shí)長如何變化， 均未發(fā)現(xiàn)有泄漏的情況發(fā)生， 泄漏量始終為0。 表明激光臉機(jī)械密封可以適用于噴油潤滑工況下 的長時(shí)間運(yùn)行， 滿足其密封性能要求。

4 結(jié)論

在某航空發(fā)動(dòng)機(jī)附件機(jī)匣傳動(dòng)軸端機(jī)械密封端面開設(shè)激光臉槽型， 并通過試驗(yàn)考察其在噴油潤滑工況下的摩擦模型特性、 熱特性和泄漏情況。 主要得到以下結(jié)論。

（1） 在變工況以及穩(wěn)態(tài)工況條件下運(yùn)轉(zhuǎn)后， 靜環(huán)磨損量約為2 μm， 動(dòng)環(huán)端面在擦拭后可恢復(fù)潔凈，槽底無頑固沉積， 動(dòng)、 靜環(huán)端面光帶形狀良好， 均表明端面無明顯磨損。

（2） 在變工況以及穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)轉(zhuǎn)條件下， 在介質(zhì)溫度較為穩(wěn)定的情況下， 動(dòng)環(huán)溫度和軸套溫度均能保持穩(wěn)定， 且無泄漏情況發(fā)生， 表明激光臉機(jī)械密封在噴油潤滑工況下具備良好的熱特性（溫升有限）和密封效果。