本文摘要：本篇激光論文認為激光表面跨尺度織構機械密封能顯著改善機械密封的潤滑和摩擦特性，且受密封介質壓力和轉速的影響較小.與無織構機械密封相比，激光表面跨尺度織構機械密封的摩擦轉矩最大可減小65%.無論是在低壓低速，還是在高壓高速的工況下，激光表面跨尺度
本篇激光論文認為激光表面跨尺度織構機械密封能顯著改善機械密封的潤滑和摩擦特性，且受密封介質壓力和轉速的影響較小.與無織構機械密封相比，激光表面跨尺度織構機械密封的摩擦轉矩最大可減小65%.無論是在低壓低速，還是在高壓高速的工況下，激光表面跨尺度織構均可以顯著改善機械密封的潤滑與摩擦性能，具有廣泛的適用性和廣闊的應用前景.可以發表激光論文的期刊有《中國激光》是我國唯一全面反映激光領域最新成就的專業學報類期刊。主要發表我國在激光、光學、材料應用及激光醫學方面卓有成就的科學家的研究論文。
表面織構化技術通過改變表面的幾何形貌，可以顯著提高表面摩擦學性能[1-2].表面織構化機械密封主要在密封面開槽或加工微凹坑，在密封面間產生流體靜壓或動壓效應，從而提高承載能力，延長使用壽命[3].20世紀90年代后期，Etsion等[4]利用激光技術在機械密封的密封面加工具有規則凹坑形狀的微織構，形成了激光表面微凹坑織構化機械密封技術.激光表面微凹坑織構技術能顯著改善機械密封端面的潤滑狀況，提高承載能力，降低密封端面的溫升，減小摩擦系數，從而提高了密封性能[5-7].但是，當密封介質壓力增大到一定程度時，微凹坑內的空化現象完全被靜壓效應抑制或只在一小部分的微凹坑上產生，從而削弱了流體動壓效應，激光表面微凹坑織構化機械密封就類似于無織構機械密封[3，8].螺旋槽機械密封的作用機理類似于雷列臺階軸承，利用螺旋槽產生的流體動壓力來平衡閉合力，以實現密封端面的非接觸.同時，螺旋槽的上游泵送效應可以將密封低壓側的流體泵送至高壓側，理論上可以實現零泄漏[9-10].符永宏等[11]提出了一種新型激光表面跨尺度織構機械密封(crossingdimensionslasersurfacetex-turedmechanicalseal，CT-MS)，即在機械密封端面設置宏觀上游泵送槽織構，同時在密封堰和密封壩區設置微凹坑織構，上游泵送織構和微凹坑織構產生的流體動壓潤滑效應相互耦合，增強了機械密封端面間的流體動壓潤滑效應，從而有效提高了機械密封的密封性能;并利用“單脈沖同點間隔多次”激光表面織構技術加工微凹坑織構和宏觀泵送槽織構機械密封，解決了機械密封端面跨尺度織構加工難題，并對激光表面跨尺度織構機械密封的摩擦性能做了初步研究[12].文中對激光表面跨尺度織構機械密封在變密封介質壓力和轉速工況下進行摩擦學性能試驗，進一步研究密封介質壓力和轉速對激光表面跨尺度織構機械密封摩擦特性的影響，并與無織構機械密封進行比較.
1試驗
1.1試樣的激光表面加工試驗采用設備為二極管泵浦Nd:YAG激光加工系統，激光光束模式為TEM00，腔外帶有望遠鏡擴束裝置，有較強的聚焦能力.腔外裝有倍頻晶體，輸出波長為532nm.采用聲光調Q技術控制產生脈沖激光，調Q重復頻率為1～50kHz，光束質量系數M2<2，發散角小于0.003rad.試樣為內徑ri=25.68mm，外徑ro=32.60mm的機械密封，動環的材料為SiC，靜環的材料為石墨，其表面粗糙度均為0.04μm.利用“單脈沖同點間隔多次”激光加工工藝在動環端面制備微凹坑織構和宏觀泵送槽織構[11]，如圖1，2所示.用Wyko-NT1100表面形貌三維測量儀測量激光表面跨尺度織構機械密封，圖3所示為跨尺度織構的二維和三維幾何形貌.微凹坑織構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、脈沖寬度和重復次數決定;泵送槽織構的深度由激光的功率密度、脈沖寬度、掃描速度和重復頻率決定.激光表面織構技術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，因此在跨尺度織構周圍區域殘留一些熔渣.試樣表面經過拋光處理，去除激光表面織構產生的熔渣后，微凹坑直徑大小約為40μm，凹坑深度約為8μm，凹坑密度為13%.泵送槽采用對數螺旋線，內徑開槽，螺旋角α=17.8o，槽堰寬度比γ=1∶1，槽徑比β=0.7，槽數Ng=18，槽深約為6μm.
1.2試驗方法機械密封試驗裝置[13]如圖4所示.端面比載荷是采用靜環后面安裝的力傳感器測量力并進行計算得到的，通過移動拖板位置可以調節端面比載荷大小，調節范圍為0～2MPa;試驗介質壓力可以在0～1MPa之間變化，由介質壓力傳感器測量;轉速傳感器可以測量裝置在0～3000r/min范圍內的轉速;端面摩擦轉矩由精度為0.5%的JDN-25轉矩傳感器測得;試樣公稱尺寸范圍為50～90mm.系統設有穩壓罐和冷卻循環裝置.試驗密封介質為清水，密封腔內的密封介質壓力的加載通過介質增壓及循環裝置來實現，試驗加載壓力范圍為0.2～0.8MPa，電動機的轉速范圍為1500～2900r/min，彈簧的預緊力為50N，即彈簧壓力為0.0395MPa.具體試驗過程:首先機械密封試樣環在空載和轉速為1500r/min時進行跑合，然后分別在不同轉速和介質壓力的工況下進行試驗，每組工況參數下運行30min，以30min內摩擦轉矩的平均值來評價該組工況參數下的摩擦情況.
2試驗結果與討論
圖5示出了轉速n=1500r/min時，密封腔介質壓力對激光表面跨尺度織構機械密封和無織構機械密封(untexturedmechanicalseal，UN-MS)摩擦轉矩的影響，密封介質壓力變化范圍為0.2～0.8MPa.由圖可知，隨著密封介質壓力的增大，激光表面跨尺度織構機械密封和無織構機械密封的摩擦轉矩增大.在試驗范圍內，激光表面跨尺度織構機械密封的摩擦轉矩小于無織構機械密封，說明了激光表面跨尺度織構機械密封能顯著改善機械密封的潤滑和摩擦特性.這主要是因為在上游泵送微凹槽織構與微凹坑織構上及其所產生的流體動壓潤滑效應，從而使激光表面跨尺度織構機械密封的摩擦轉矩始終小于無織構機械密封.當密封介質壓力為0.2MPa時，激光表面跨尺度織構機械密封和無織構機械密封的摩擦轉矩分別約為0.593N•m和1.738N•m，激光表面跨尺度織構機械密封的摩擦轉矩為無織構機械密封的31%;當密封腔壓力為0.8MPa時，激光表面跨尺度織構機械密封和無織構機械密封的摩擦轉矩分別約為1.643N•m和2.379N•m，激光表面跨尺度織構機械密封的摩擦轉矩為無織構機械密封的69%.由此可知，在低壓低速工況下，激光表面跨尺度織構可以顯著改善機械密封的潤滑與摩擦性能.圖6示出了轉速n=2900r/min時，密封腔介質壓力對激光表面跨尺度織構機械密封和無織構機械密封摩擦轉矩的影響.由圖可知，兩者的摩擦轉矩隨密封介質壓力的變化規律與轉速n=1500r/min時基本一致.但是，密封介質壓力較小時，介質壓力對激光表面跨尺度織構機械密封摩擦轉矩的影響較小;密封介質壓力較大時，介質壓力對激光表面跨尺度織構機械密封摩擦轉矩的影響較大.例如當密封介質壓力分別為0.2，0.5，0.8MPa時，激光表面跨尺度織構機械密封的摩擦轉矩分別為0.838，0.979，1.527N•m，而無織構機械密封的摩擦轉矩為1.681，2.132，2.358N•m.當密封介質壓力分別為0.2，0.5MPa時，激光表面跨尺度織構機械密封的摩擦轉矩為無織構機械密封的2倍多;當密封介質壓力為0.8MPa時，激光表面跨尺度織構機械密封的摩擦轉矩為無織構機械密封時的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同樣可以顯著改善機械密封的潤滑與摩擦性能.圖7示出了密封介質壓力為0.2MPa時，轉速對激光表面跨尺度織構機械密封和無織構機械密封摩擦轉矩的影響，轉速的變化范圍為1500～2900r/min.由圖可知，在整個轉速變化范圍內，激光表面跨尺度織構機械密封的摩擦扭矩始終遠遠小于無織構機械密封的，轉速對兩者的摩擦轉矩影響較小.例如當轉速n=1500r/min時，激光表面跨尺度織構機械密封和無織構機械密封的平均摩擦轉矩分別為0.593N•m和1.738N•m;當轉速n=2900r/min時，激光表面跨尺度織構機械密封和無織構機械密封的平均摩擦轉矩分別為0.837N•m和1.681N•m.由此可見，在整個轉速變化范圍內，激光表面跨尺度織構機械密封的摩擦轉矩至少比無織構機械密封減小了一半.圖8示出了密封介質壓力為0.8MPa時，轉速對激光表面跨尺度織構機械密封和無織構機械密封摩擦轉矩的影響.由圖可知，轉速對激光表面跨尺度織構機械密封摩擦轉矩的影響較小，而對無織構機械密封摩擦轉矩的影響較大.隨著轉速增大，無織構機械密封的摩擦轉矩先減小后增大，當轉速約為2300r/min時，摩擦轉矩達到最小值.這是因為密封環端面間的流體動壓效應隨著轉速的增大而增大;然而當轉速過大時導致端面間產生的熱量增加，從而使摩擦轉矩增大.例如當轉速分別為n=1500，2300r/min時，激光表面跨尺度織構機械密封的摩擦轉矩分別為1.642N•m和1.563N•m，無織構機械密封的摩擦轉矩分別為2.379N•m和1.792N•m.由此可見，激光表面跨尺度織構機械密封能夠使機械密封運轉更平穩.
轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.cnzjbx.cn/jzlw/11796.html
