摘要: 在新型填料密封和摩擦學性能試驗機上，進行柔性石墨編織盤根的往復運動試驗，考察填料的密封性能和摩擦學性能，考察軸向應力、石墨環(huán)截面形狀和密度對組合填料密封性能和摩擦學性能的影響。結果表明: 隨著軸向應力的增加，組合填料的泄漏率有所下降，但摩擦力會顯著上升，填料的磨損加劇、密封壽命大大縮短; 優(yōu)化柔性石墨環(huán)的截面形狀能改善組合填料的綜合性能，V 型石墨環(huán)填料的密封性能和摩擦學性能均明顯優(yōu)于平口石墨環(huán); 柔性石墨環(huán)的密度對組合填料的密封性能和摩擦學性能也有重要影響，具有密度梯度的石墨環(huán)組合填料性能優(yōu)于等密度石墨環(huán)填料。對于等密度的石墨環(huán)組合填料，推薦使用密度為1. 5 g /cm3 左右。

　　關鍵詞: 組合填料; 柔性石墨環(huán); 編織盤根; 密封性能; 摩擦學性能

　　隨著航空航天、核工業(yè)、國防科技、石化工業(yè)的發(fā)展，當今密封問題所涉及的廣度和深度已遠遠超出防止“跑、冒、滴、漏”的狹隘范圍，諸如高溫及超高溫、低溫及超低溫、高壓、高速、高真空以及強腐蝕等苛刻工況對密封填料提出了更高的要求[1 - 2]。

　　柔性石墨具有壓縮回彈性高、應力松弛小、耐高溫及耐腐蝕性強等顯著優(yōu)點，是一種替代石棉填料的理想填料密封材料[3 - 4]。為防止柔性石墨向閥桿兩端和填料函間隙擠出，工程上常采用金屬絲增強柔性石墨編織盤根或碳纖維編織盤根等作為上下端環(huán)，柔性石墨環(huán)作為密封主體的組合式填料[1，5]。目前，這種組合填料已廣泛應用于各種泵閥、往復式壓縮機、反應釜、船舶螺旋漿等作往復運動或回轉(zhuǎn)運動的軸密封。

　　填料密封是依靠密封材料良好的壓縮性，通過擰緊壓蓋給填料密封環(huán)一定的軸向力使填料沿徑向脹開，從而使密封環(huán)的內(nèi)外兩個面分別與軸、填料箱表面緊密貼合并產(chǎn)生足夠的徑向力來達到阻止流體泄漏的一種動密封形式[5 - 7]。填料密封工作時，填料與軸、填料箱間直接接觸，在往復或旋轉(zhuǎn)運動中會發(fā)生摩擦磨損，其中填料和桿件這對摩擦副是影響填料密封可靠性、耐久性和穩(wěn)定性的主要因素[8]。一方面，填料的磨損會增加填料與軸/閥桿之間的環(huán)形間隙進而引起介質(zhì)的泄漏，縮短填料的密封壽命; 另一方面，摩擦力的大小直接關系到設備運行過程中的可操作性及能耗問題?，F(xiàn)場使用石墨類填料的抽油機單機平均功耗僅為0. 07 kW，約為普通橡膠密封能耗的1 /10[9]。然而，迄今國內(nèi)外針對填料開展的相關研究報道較少，組合填料的密封性能和摩擦學特性尚不明確[4，8， 10 -12]。本文作者研究了柔性石墨/編織盤根組合填料的密封性能和摩擦學行為，系統(tǒng)考察了組合填料軸向應力、石墨環(huán)密度、截面形狀等的影響，探討了組合填料的密封機制，為提高組合填料的密封性能和使用壽命提供了理論指導。

　　1 試驗材料和方法

　　1. 1 填料的結構及規(guī)格

　　為了減少填料對閥桿的摩擦和磨損、提高填料的密封性能，實際使用時通常取5 ～ 7 個填料環(huán)[1]。試驗用組合填料由2 個Inconel 合金絲增強柔性石墨編織盤根( 45. 6 mm × 30 mm × 11 mm) 的上下端環(huán)、3個柔性石墨環(huán)( 45. 6 mm × 30 mm × 10 mm) 作為中心的密封主體組合而成，測試樣品由浙江某密封件公司提供。組合填料的基本結構及其主要結構參數(shù)見圖1，組合填料的密封主體有平口和V 型2 種石墨環(huán)，為避免盤根對試驗結果的影響，所有試驗均采用相同工藝和材質(zhì)的同批次盤根。柔性石墨選用核級石墨，其主要技術參數(shù)見表1。

　　1. 2 試驗設備

　　試驗在自行研制的新型填料密封/摩擦學性能試驗機上進行，該裝置的結構示意圖如圖2 所示。

　　組合填料安裝于填料函內(nèi)，并由螺栓緊固壓蓋提供所需的軸向應力( 通過螺栓扭矩可換算得到壓蓋施加在填料上的軸向應力[1]) ，閥桿( 其表面粗糙度為Ra0. 4 μm) 由驅(qū)動裝置牽引作往復運動，從而真實地模擬閥的打開與閉合過程。試驗過程中，填料的泄漏率由氦質(zhì)譜檢漏儀( 型號SFJ-211，分辨率為1 × 10 - 12 Pa·m3 /s) 測得; 數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)控制閥桿驅(qū)動裝置作預定行程、速度下的往復運動并實時記錄泄漏率和摩擦力。

　　1. 3 試驗方法及參數(shù)

　　試驗時，往復行程l 取80 m，線速度v 設為6. 4mm/s，往復運動周次N = 1 ～ 1 000 次，單側(cè)螺栓扭矩T 依次取10、15、20、25 N·m，對應的軸向應力σ 依次為15、22. 5、30、37. 5 MPa。安裝填料前閥桿用二甲苯和丙酮清洗，以去除表面殘留的石墨等污染物。填料按圖1 所示組合方式疊加，裝入填料后將螺栓擰緊至所需軸向比壓σ 的扭矩值T，開機預運行5個往復循環(huán)后再擰緊螺栓至扭矩值T，按上述方法重復3 次后開始試驗。用分析天平( 型號FA2004，精度0. 1 mg) 稱量試驗前后的每組填料，得到磨損量。相同參數(shù)下的每組試驗重復3 次，取平均值，以消除試驗偶然性帶來的誤差。

　　2 結果與討論

　　2. 1 軸向比壓對密封性和摩擦學特性的影響

　　2. 1. 1 泄漏率對比

　　如前所述，壓縮填料軸向受載后沿徑向脹開，并在填料函和閥桿兩密封面間形成一定的接觸應力而達到密封效果[1]。因此，軸向比壓對壓縮填料的密封性能有重要影響。圖3 示出了不同軸向比壓下組合填料泄漏率隨循環(huán)次數(shù)的變化。

　　由圖3 可以看出: 隨著軸向比壓的增加組合填料的泄漏率明顯降低，如軸向比壓從15 MPa 增加到30 MPa 時泄漏率降低了近2 個數(shù)量級; 較高的軸向比壓將大大降低填料的泄漏，如軸向比壓為30 MPa時500 次往復循環(huán)后填料的泄漏率為1. 8 × 10 - 9Pa·m3 /s，但10 MPa 時50 次左右的往復循環(huán)就已達到該泄漏值。這是由于隨著軸向比壓的提高，密封面的接觸應力也相應增加，從而有效降低了填料的泄漏率。

　　2. 1. 2 摩擦力對比

　　圖4 所示為不同軸向比壓下組合填料的摩擦力隨循環(huán)次數(shù)的變化?？梢钥闯? 軸向比壓越大填料的摩擦力也越大; 由于填料函和閥桿的熱膨脹、石墨層轉(zhuǎn)移到閥桿后的黏著效應等影響[1]，在較低的軸向應力下( 軸向應力σ < 37. 5 MPa) ，摩擦力基本呈緩慢爬升趨勢且總體相對穩(wěn)定，而在過高的軸向應力下( 如軸向應力σ = 37. 5 MPa) ，摩擦力呈先迅速下降后持續(xù)上升的階段，試驗觀察發(fā)現(xiàn)在摩擦力上升的階段伴隨著明顯的摩擦噪聲并且設備伴有輕微的抖動。這表明過高的軸向應力會引起摩擦力的顯著上升，因此填料在實際使用中軸向比壓不能太大。

　　2. 1. 3 填料磨損量對比

　　圖5 示出了不同軸向應力下N = 1 000 個循環(huán)周次后的磨損量，可知: 當軸向應力σ < 30 MPa 時，組合填料的磨損量隨軸向應力基本呈線性遞增關系;當軸向應力σ = 37. 5 MPa 時，磨損量大幅增加。此外，從圖中的誤差棒也可以看出: 軸向應力σ = 37. 5MPa 時，相同試驗參數(shù)下重復試驗獲取的磨損量相差較大。這可能由于填料在往復運動過程中伴隨的摩擦振動與噪聲加劇了填料的磨損。而磨損越嚴重填料與軸/閥桿之間的環(huán)形間隙則越大，從而引起填料泄漏率上升。這可能也是圖3 中軸向應力σ = 37. 5 MPa 時泄漏率持續(xù)上升的原因。

　　顯然，受柔性石墨有限的可壓縮性的影響，填料軸向比壓的提高受到限制，更重要的是提高軸向比壓會使接觸界面上的摩擦力上升并加劇填料及其對磨副的磨損，從而進一步增加設備運行的能耗[9]、縮短填料的密封壽命[5]。因此，填料在安裝時需要選擇適宜的軸向應力或者螺栓扭矩，如試驗研究的上述填料的極佳軸向應力約為30 MPa。

　　2. 2 密封主體截面形狀對密封性能和摩擦學特性的影響

　　2. 2. 1 平口與V 型填料的泄漏率對比

　　通過密封主體截面形狀的優(yōu)化可以改變填料側(cè)向應力的分布進而提高其密封性能[1]。分別選取平口石墨環(huán)和V 型石墨環(huán)作為組合填料的密封主體進行對比試驗，在22. 5 和30 MPa 軸向應力下考察組合填料泄漏率隨循環(huán)次數(shù)的變化，結果如圖6 所示。

　　由圖6 可以看出: 在試驗初期，V 型石墨環(huán)填料的泄漏率高于平口石墨環(huán)填料; 但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，在不同軸向應力下V 型石墨環(huán)填料的密封性能均優(yōu)于平口石墨環(huán)填料。

　　2. 2. 2 平口與V 型填料的摩擦力對比

　　圖7 示出了平口和V 型石墨環(huán)填料在22. 5 和30MPa 軸向應力下摩擦力隨循環(huán)次數(shù)的變化。可知: 2種填料的摩擦力隨循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律相似，但V型石墨環(huán)填料的摩擦力遠小于平口石墨環(huán)填料。

　　綜上所述，V 型石墨環(huán)填料的密封性能和摩擦學性能均明顯優(yōu)于平口石墨環(huán)。這主要是由于V 型石墨環(huán)受到軸向應力后V 型附近優(yōu)先沿徑向脹開，形成局部高應力的環(huán)形區(qū)域，而遠離V 型的密封面接觸應力較小，從而建立了近似“迷宮密封”的效應。此外，V 型的局部優(yōu)先脹開也有利于底層填料的壓實和沿徑向擴脹。

　　2. 3 密封主體密度對密封性能和摩擦學特性的影響據(jù)前面的分析可知，壓縮填料在預緊過程中填料被不斷密實，其平均密度逐漸上升但其分布具有沿軸向由壓蓋向內(nèi)逐漸減小的趨勢。因此，預緊前后填料的密度對密封性能和軸向摩擦力也有重要的影響。

　　2. 3. 1 石墨環(huán)密度對泄漏率的影響通常組合填料中石墨環(huán)成型后的密度ρ 在1. 4 ～1. 6 g /cm3 之間時填料性能較好。據(jù)此，選取3 種不同密度( 分別為1. 4、1. 5、1. 6 g /cm3 ) 的4 種不同組合方式( 包括3 種相同密度和1 種密度逐漸遞增的組合方式) 的石墨環(huán)填料進行試驗，考察石墨環(huán)密度對密封性能的影響，結果如圖8 所示?？梢钥闯?具有密度梯度的組合填料密封性能較好; 而在3 種具有相同密度的石墨環(huán)組合填料中，密度為1. 5 g /cm3的組合填料的密封性能極佳。

　　2. 3. 2 石墨環(huán)密度對摩擦力的影響

　　圖9 示出了不同石墨環(huán)密度的組合填料摩擦力隨循環(huán)次數(shù)的變化?？梢钥闯? 密度為1. 5 g /cm3 的石墨環(huán)組合填料摩擦力極其穩(wěn)定且較小; 具有密度梯度的填料其摩擦力在前期( N < 500) 比具有相同密度的石墨組合填料均要小，隨后其摩擦力保持緩慢增加，終了摩擦力介于密度為1. 4 g /cm3 和1. 5 g /cm3 的石墨環(huán)組合填料之間。

　　2. 3. 3 石墨環(huán)密度對螺栓殘余扭矩值的影響

　　圖10 所示為不同密度石墨環(huán)填料在1 000 次往復循環(huán)后兩側(cè)螺栓的殘余扭矩值( 初始值T =20 N·m) ?？芍? 具有密度梯度的石墨環(huán)填料殘余扭矩極高，其次為密度ρ = 1. 5 g /cm3 的石墨環(huán)組合填料。對比圖8 可以看出: 螺栓殘余扭矩值對填料的密封性能有重要影響，這是由于殘余扭矩值越高填料的徑向壓力越大，因此填料的密封性能也越好。

　　綜上所述，對于組合填料來說，密封主體的石墨環(huán)密度對密封性能和摩擦學特性有重要影響，有條件的情況下建議使用變密度的組合填料，若使用等密度的石墨環(huán)組合填料選擇石墨環(huán)密度為1. 5 g /cm3 左右為宜。

　　3 結論

　　( 1) 組合填料的密封性能和摩擦學行為與軸向應力密切相關，隨著軸向應力的提高泄漏率呈下降趨勢，但過高的軸向應力會引起摩擦力的顯著上升并加劇填料的過度磨損，從而縮短填料的密封壽命，試驗用組合填料的極佳軸向密封應力在30 MPa 左右。

　　( 2) 改變?nèi)嵝允h(huán)的截面形狀能有效提高密封性能、降低組合填料的摩擦力。V 型石墨環(huán)填料可以建立類似“迷宮密封”效應，在V 型附件形成局部高應力的環(huán)形區(qū)域，因此其密封性能和摩擦學性能均明顯優(yōu)于平口石墨環(huán)。

　　( 3) 柔性石墨的密度對組合填料的密封性能和摩擦學性能也有重要影響。使用具有密度梯度的組合填料相比等密度的組合填料密封性能和摩擦學性能均由不同程度的改善。因此，有條件的情況下建議使用具有密度梯度的組合填料，對于等密度石墨環(huán)組合填料，推薦使用密度1. 5 g /cm3 左右。

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