高温高速旋转轴接触式密封材料研制及其密封性能分析

陈杰

摘 要：本文对密封材料与结构进行设计，包括材料组份、成型工艺与结构等内容，并通过开展试验，对密封材料的高温高速性能进行检测。试验结果表明，线速度、温度对材料磨损率具有较大影响，通过发动机工况适应性分析可知，在特定时间内，密封未出现明显泄露。

关键词：高温高速旋转轴;密封材料;密封性能

引言：在航空发动机研制中，密封材料的工作环境十分恶劣，常处于低温、高温、高速交变的环境下，密封表面经常因摩擦生热、润滑失效等因素影响，影响密封效果。为了满足航空发动机在材料性能与结构方面的需求，应采取多种有效措施，探索增强规律与失效机理，为新材料设计提供借鉴与参考。

一、密封材料与结构设计

（一）材料组份设计

密封材料的基体采用聚醚酰亚胺，属于热塑性材料的一种，在高于500℃的环境下开始分解，熔点为380℃，该材料的机械性能较强，未经过填充时拉伸强度便可超过100MPa，热膨胀系数为2×10-5—3×10-5/k之间，在介电与耐辐射性方面具有较大优势，弹性模量范围为3—4MPa，可满足高温的性能要求。

（二）材料成型工艺

将聚醚酰亚胺与复合材料的特点相结合，采用热膜压制作工艺，制作出试样，在内部塞入填充物，按照质量百分比分别与PEI材料混合后，热模压成型，再烧结脱模，经过机械加工成为试验所需的尺寸。

（三）结构设计

由于密封位置的尺寸与工作环境受到严格限制，最好采用唇形密封结构，在唇口的位置采用过盈配合，使复合材料与轴紧密结合，唇口油侧的接触角为45°，空气侧的接触角不超过30°，这样可使磨面形成微凸体，产生回泵送的現象。在唇口相交的位置，利用斜面接触，与油侧相近之处的过盈量较大，可使唇口配合更紧密，即便产生磨损，二者也始终可保持过盈接触，达到最佳密封效果[1]。

二、密封材料的高温高速性能

（一）试验装置

电主轴利用变频调速，由联轴器带动偶见圆盘与传动箱，使其旋转到制定转速，将试样固定在加载装置中，利用弹簧进行加载，通过降低振动、轴系挠度等方式，使径向力变化发生改变;将加热管放入隔热腔室内，利用温控器进行控温，发挥采集卡的作用，对测试中的振动信号、径向力进行采集，并对信号进行处理后，将其传入计算机中，人机界面采用Visual Basic语言编程，经过程序处理后，绘制出振动时间与径向力的曲线，并对数据信息进行存储。

（二）技术参数

在本次试验中，主要装置的技术参数如下，对于振动信号与径向力，可利用数据采集卡进行采集，通过VB语音编程进行信号处理，并将处理结果以图形的方式显示出来，将实时数据进行存储。

（1）试验温度为RT

（2）升温速率范围为20—50℃·min-1;

（3）负载范围为0—50N之间;

（4）接触线速度范围为20—100m·s-1之间。

（三）磨损性能测试

在高温高速状态下，工作温度对复合材料性能具有重要影响，在忽略因素之间相互作用的情况下，利用正交表开展高温高速磨损试验。

（1）测试条件

在试验过程中，采用自制试验台架，试样的尺寸为20mm×6mm×20mm，偶件尺寸为φ 32mm×φ 110mm×10mm，偶件材料采用1Cr18Ni9Ti高温钢，负载为10N，共计测试15min，工况为干摩擦。

（2）试验方法

在本次试验中，对不同的线速度下进行测试，分别在40m？s-1、60m？s-1、80m？s-1的状态下，开展高温正交试验，利用电子天平计算磨损质量，天平精度为0.1mg;在试验开始之前，将样品用水砂纸进行打磨，试样安装后，不加载状态下保温20分钟，每次配比测量2—3次，磨损率取均值，如若结果的差异过大，则需要重新测试[2]。

（3）试验结果

通过试验结果可知，在线速度为40m·s-1正交试验中，隧道球形石墨含量的不断增加，磨损率先低后增高，在15wt.%时达到最低值;随着碳纤维含量的不断增加，磨损率不断提升;当试验温度不断提升时，磨损率逐渐降低，当温度升高至250℃时，磨损率降到最低。

在线速度为60m·s-1正交试验中，随着石墨含量的不断增加，磨损率也逐渐增加;当碳纤维含量增加时，磨损率也随之提升，当碳纤维含量低于10wt.%时，磨损率几乎未发生改变;环境温度与磨损率成正比，当温度达到250℃时，磨损率达到最大值。

在线速度为80m·s-1正交试验中，随着石墨含量的不断增加，磨损率也逐渐增加;当碳纤维含量增加时，磨损率先增加后下降，在15wt%时达到最低值;环境温度与磨损率成反比，温度升高的同时，磨损率反而下降，当温度达到250℃时，磨损率的变化趋于平稳，很少发生明显变化。

（四）密封件工况适应性

以某型号航空发动机为例，采用双密封结构形式，在正式测试之前仔细检查轴表面，禁止轴表面、倒角处出现毛刺，在密封件安装时，应旋转推进，唇口向油侧密封件与旋转的方向相反，空气侧与旋转方向一致。压力加载速率为0.1MPa·s-1，初始压力值为0.3MPa。在发动机运行过程中，采用直接观测法，在检测范围内未出现明显泄露情况，经过6小时测试后，唇口直径为 15.8mm，磨损深度为0.3mm，稳定运行模式下，以流体润滑为主[3]。

三、结束语

综上所述，通过本文研究可知，在较高搅拌速度下，可使原材料充分混合，通过开展磨损试验，发现在150—300℃下，线速度、温度对材料磨损率具有较大影响，测试模拟结果与发动机工况试验结果相一致。

参考文献：

[1]孙健伟.高温高速旋转轴接触式密封材料研制及其密封性能研究[D].哈尔滨工业大学，2019.

[2]蔚利军.高速高压旋转轴滑环式组合密封性能的研究[D]，南京南开大学，2014.

[3]徐仁泉，叶润喜.水轮机密封材料的研制及其使用性能的考察[J].摩擦学学报，2019，9（4）.