本文摘要：本篇激光論文認(rèn)為激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封能顯著改善機(jī)械密封的潤(rùn)滑和摩擦特性，且受密封介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速的影響較小.與無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封相比，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩最大可減小65%.無(wú)論是在低壓低速，還是在高壓高速的工況下，激光表面跨尺度
本篇激光論文認(rèn)為激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封能顯著改善機(jī)械密封的潤(rùn)滑和摩擦特性，且受密封介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速的影響較小.與無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封相比，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩最大可減小65%.無(wú)論是在低壓低速，還是在高壓高速的工況下，激光表面跨尺度織構(gòu)均可以顯著改善機(jī)械密封的潤(rùn)滑與摩擦性能，具有廣泛的適用性和廣闊的應(yīng)用前景.可以發(fā)表激光論文的期刊有《中國(guó)激光》是我國(guó)唯一全面反映激光領(lǐng)域最新成就的專(zhuān)業(yè)學(xué)報(bào)類(lèi)期刊。主要發(fā)表我國(guó)在激光、光學(xué)、材料應(yīng)用及激光醫(yī)學(xué)方面卓有成就的科學(xué)家的研究論文。
表面織構(gòu)化技術(shù)通過(guò)改變表面的幾何形貌，可以顯著提高表面摩擦學(xué)性能[1-2].表面織構(gòu)化機(jī)械密封主要在密封面開(kāi)槽或加工微凹坑，在密封面間產(chǎn)生流體靜壓或動(dòng)壓效應(yīng)，從而提高承載能力，延長(zhǎng)使用壽命[3].20世紀(jì)90年代后期，Etsion等[4]利用激光技術(shù)在機(jī)械密封的密封面加工具有規(guī)則凹坑形狀的微織構(gòu)，形成了激光表面微凹坑織構(gòu)化機(jī)械密封技術(shù).激光表面微凹坑織構(gòu)技術(shù)能顯著改善機(jī)械密封端面的潤(rùn)滑狀況，提高承載能力，降低密封端面的溫升，減小摩擦系數(shù)，從而提高了密封性能[5-7].但是，當(dāng)密封介質(zhì)壓力增大到一定程度時(shí)，微凹坑內(nèi)的空化現(xiàn)象完全被靜壓效應(yīng)抑制或只在一小部分的微凹坑上產(chǎn)生，從而削弱了流體動(dòng)壓效應(yīng)，激光表面微凹坑織構(gòu)化機(jī)械密封就類(lèi)似于無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封[3，8].螺旋槽機(jī)械密封的作用機(jī)理類(lèi)似于雷列臺(tái)階軸承，利用螺旋槽產(chǎn)生的流體動(dòng)壓力來(lái)平衡閉合力，以實(shí)現(xiàn)密封端面的非接觸.同時(shí)，螺旋槽的上游泵送效應(yīng)可以將密封低壓側(cè)的流體泵送至高壓側(cè)，理論上可以實(shí)現(xiàn)零泄漏[9-10].符永宏等[11]提出了一種新型激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封(crossingdimensionslasersurfacetex-turedmechanicalseal，CT-MS)，即在機(jī)械密封端面設(shè)置宏觀(guān)上游泵送槽織構(gòu)，同時(shí)在密封堰和密封壩區(qū)設(shè)置微凹坑織構(gòu)，上游泵送織構(gòu)和微凹坑織構(gòu)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)相互耦合，增強(qiáng)了機(jī)械密封端面間的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，從而有效提高了機(jī)械密封的密封性能;并利用“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”激光表面織構(gòu)技術(shù)加工微凹坑織構(gòu)和宏觀(guān)泵送槽織構(gòu)機(jī)械密封，解決了機(jī)械密封端面跨尺度織構(gòu)加工難題，并對(duì)激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦性能做了初步研究[12].文中對(duì)激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封在變密封介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速工況下進(jìn)行摩擦學(xué)性能試驗(yàn)，進(jìn)一步研究密封介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)速對(duì)激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封摩擦特性的影響，并與無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封進(jìn)行比較.
1試驗(yàn)
1.1試樣的激光表面加工試驗(yàn)采用設(shè)備為二極管泵浦Nd:YAG激光加工系統(tǒng)，激光光束模式為T(mén)EM00，腔外帶有望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束裝置，有較強(qiáng)的聚焦能力.腔外裝有倍頻晶體，輸出波長(zhǎng)為532nm.采用聲光調(diào)Q技術(shù)控制產(chǎn)生脈沖激光，調(diào)Q重復(fù)頻率為1～50kHz，光束質(zhì)量系數(shù)M2<2，發(fā)散角小于0.003rad.試樣為內(nèi)徑ri=25.68mm，外徑ro=32.60mm的機(jī)械密封，動(dòng)環(huán)的材料為SiC，靜環(huán)的材料為石墨，其表面粗糙度均為0.04μm.利用“單脈沖同點(diǎn)間隔多次”激光加工工藝在動(dòng)環(huán)端面制備微凹坑織構(gòu)和宏觀(guān)泵送槽織構(gòu)[11]，如圖1，2所示.用Wyko-NT1100表面形貌三維測(cè)量?jī)x測(cè)量激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封，圖3所示為跨尺度織構(gòu)的二維和三維幾何形貌.微凹坑織構(gòu)的半徑大小由激光的功率密度和脈沖寬度決定，深度大小由激光的功率密度、脈沖寬度和重復(fù)次數(shù)決定;泵送槽織構(gòu)的深度由激光的功率密度、脈沖寬度、掃描速度和重復(fù)頻率決定.激光表面織構(gòu)技術(shù)是利用聚焦后的激光束，具有較高的能量密度，瞬間汽化去除材料，因此在跨尺度織構(gòu)周?chē)鷧^(qū)域殘留一些熔渣.試樣表面經(jīng)過(guò)拋光處理，去除激光表面織構(gòu)產(chǎn)生的熔渣后，微凹坑直徑大小約為40μm，凹坑深度約為8μm，凹坑密度為13%.泵送槽采用對(duì)數(shù)螺旋線(xiàn)，內(nèi)徑開(kāi)槽，螺旋角α=17.8o，槽堰寬度比γ=1∶1，槽徑比β=0.7，槽數(shù)Ng=18，槽深約為6μm.
1.2試驗(yàn)方法機(jī)械密封試驗(yàn)裝置[13]如圖4所示.端面比載荷是采用靜環(huán)后面安裝的力傳感器測(cè)量力并進(jìn)行計(jì)算得到的，通過(guò)移動(dòng)拖板位置可以調(diào)節(jié)端面比載荷大小，調(diào)節(jié)范圍為0～2MPa;試驗(yàn)介質(zhì)壓力可以在0～1MPa之間變化，由介質(zhì)壓力傳感器測(cè)量;轉(zhuǎn)速傳感器可以測(cè)量裝置在0～3000r/min范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速;端面摩擦轉(zhuǎn)矩由精度為0.5%的JDN-25轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)得;試樣公稱(chēng)尺寸范圍為50～90mm.系統(tǒng)設(shè)有穩(wěn)壓罐和冷卻循環(huán)裝置.試驗(yàn)密封介質(zhì)為清水，密封腔內(nèi)的密封介質(zhì)壓力的加載通過(guò)介質(zhì)增壓及循環(huán)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)加載壓力范圍為0.2～0.8MPa，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍為1500～2900r/min，彈簧的預(yù)緊力為50N，即彈簧壓力為0.0395MPa.具體試驗(yàn)過(guò)程:首先機(jī)械密封試樣環(huán)在空載和轉(zhuǎn)速為1500r/min時(shí)進(jìn)行跑合，然后分別在不同轉(zhuǎn)速和介質(zhì)壓力的工況下進(jìn)行試驗(yàn)，每組工況參數(shù)下運(yùn)行30min，以30min內(nèi)摩擦轉(zhuǎn)矩的平均值來(lái)評(píng)價(jià)該組工況參數(shù)下的摩擦情況.
2試驗(yàn)結(jié)果與討論
圖5示出了轉(zhuǎn)速n=1500r/min時(shí)，密封腔介質(zhì)壓力對(duì)激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封和無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封(untexturedmechanicalseal，UN-MS)摩擦轉(zhuǎn)矩的影響，密封介質(zhì)壓力變化范圍為0.2～0.8MPa.由圖可知，隨著密封介質(zhì)壓力的增大，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封和無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩增大.在試驗(yàn)范圍內(nèi)，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩小于無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封，說(shuō)明了激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封能顯著改善機(jī)械密封的潤(rùn)滑和摩擦特性.這主要是因?yàn)樵谏嫌伪盟臀疾劭棙?gòu)與微凹坑織構(gòu)上及其所產(chǎn)生的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，從而使激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩始終小于無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封.當(dāng)密封介質(zhì)壓力為0.2MPa時(shí)，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封和無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩分別約為0.593N•m和1.738N•m，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩為無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封的31%;當(dāng)密封腔壓力為0.8MPa時(shí)，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封和無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩分別約為1.643N•m和2.379N•m，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩為無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封的69%.由此可知，在低壓低速工況下，激光表面跨尺度織構(gòu)可以顯著改善機(jī)械密封的潤(rùn)滑與摩擦性能.圖6示出了轉(zhuǎn)速n=2900r/min時(shí)，密封腔介質(zhì)壓力對(duì)激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封和無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封摩擦轉(zhuǎn)矩的影響.由圖可知，兩者的摩擦轉(zhuǎn)矩隨密封介質(zhì)壓力的變化規(guī)律與轉(zhuǎn)速n=1500r/min時(shí)基本一致.但是，密封介質(zhì)壓力較小時(shí)，介質(zhì)壓力對(duì)激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封摩擦轉(zhuǎn)矩的影響較小;密封介質(zhì)壓力較大時(shí)，介質(zhì)壓力對(duì)激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封摩擦轉(zhuǎn)矩的影響較大.例如當(dāng)密封介質(zhì)壓力分別為0.2，0.5，0.8MPa時(shí)，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩分別為0.838，0.979，1.527N•m，而無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩為1.681，2.132，2.358N•m.當(dāng)密封介質(zhì)壓力分別為0.2，0.5MPa時(shí)，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩為無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封的2倍多;當(dāng)密封介質(zhì)壓力為0.8MPa時(shí)，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩為無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封時(shí)的1.5倍.由此可知，在高壓高速的工況下，激光表面跨尺度織構(gòu)同樣可以顯著改善機(jī)械密封的潤(rùn)滑與摩擦性能.圖7示出了密封介質(zhì)壓力為0.2MPa時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封和無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封摩擦轉(zhuǎn)矩的影響，轉(zhuǎn)速的變化范圍為1500～2900r/min.由圖可知，在整個(gè)轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦扭矩始終遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封的，轉(zhuǎn)速對(duì)兩者的摩擦轉(zhuǎn)矩影響較小.例如當(dāng)轉(zhuǎn)速n=1500r/min時(shí)，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封和無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封的平均摩擦轉(zhuǎn)矩分別為0.593N•m和1.738N•m;當(dāng)轉(zhuǎn)速n=2900r/min時(shí)，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封和無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封的平均摩擦轉(zhuǎn)矩分別為0.837N•m和1.681N•m.由此可見(jiàn)，在整個(gè)轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩至少比無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封減小了一半.圖8示出了密封介質(zhì)壓力為0.8MPa時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封和無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封摩擦轉(zhuǎn)矩的影響.由圖可知，轉(zhuǎn)速對(duì)激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封摩擦轉(zhuǎn)矩的影響較小，而對(duì)無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封摩擦轉(zhuǎn)矩的影響較大.隨著轉(zhuǎn)速增大，無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩先減小后增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速約為2300r/min時(shí)，摩擦轉(zhuǎn)矩達(dá)到最小值.這是因?yàn)槊芊猸h(huán)端面間的流體動(dòng)壓效應(yīng)隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大;然而當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)導(dǎo)致端面間產(chǎn)生的熱量增加，從而使摩擦轉(zhuǎn)矩增大.例如當(dāng)轉(zhuǎn)速分別為n=1500，2300r/min時(shí)，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩分別為1.642N•m和1.563N•m，無(wú)織構(gòu)機(jī)械密封的摩擦轉(zhuǎn)矩分別為2.379N•m和1.792N•m.由此可見(jiàn)，激光表面跨尺度織構(gòu)機(jī)械密封能夠使機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn).
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