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麻纤维软填料在高压高水基动密封工况下的抗磨损技术研究
添加:2017-6-29 14:02:48    游览:460    来源:网络

  摘 要:采用 MRB125 31 . 5 往复式柱塞乳化液泵对国内麻纤维软填料进行失效分析, 结果表明: 过早失效是由于填料纤维和表面固体润滑剂的磨损较大引起的。通过纤维混纺设计和共浸工艺,显著提高固体润滑剂和麻纤维的结合强度,改进后的麻纤维软填料经台架试验后表面平整,表面固体润滑剂的保留面积大; 经工业性使用寿命试验考核, 平均使用寿命是原用夹布橡胶圈的10倍以上,是国外同类产品的2 倍 。

  关键词:麻纤维;软填料;高压;高水基流体;磨损

  1 国内麻纤维软填料在高压高水基动密封工况下的失效分析

  麻纤维来源广泛,价格低廉,用它做为骨架主体材料并填充固液润滑剂及添加剂所制成的编织软填料,应用历史最为久远,是一种传统的软填料。首先将它置于高压高水基动密封工况进行试验, 分析失效原因,进而找出改进的方法。

  1.1 试验条件

  试验机型: MRB125 31.5 往复式曲轴连杆塞式乳化液泵; 柱塞平均线速度 v =1.5 ~2.0 m s ;压力31. 5 MPa;高水基工作液性质: 密度为 0.90~0. 99gcm3; 黏度为1.20 mm2s;pH 值为 7~9.5,含水量>95 %。

  柱塞泵填料箱构造如图 1 所示, 预紧压盖或螺套,轴向压紧,填料径向变形充实密封间隙并与耦合的金属柱塞杆紧密接触, 径向产生的压力为接触应力,当填料密封界面的接触应力大于等于内腔压力时就能实现动密封, 泵从开始工作直到出现泄漏( 允许泄漏量) 这一时间段为一个周期,然后再次预紧压盖,又进入下一个周期, 不断循环下去直到失效, 填料的使用寿命就是由许多个周期累积而成的。

图 1 柱塞泵填料箱构造

  1.2 试验用传统麻纤维软填料及使用寿命试验样品和使用寿命见表1 ,每组样品3 个,取平均寿命。

表 1 试验样品和使用寿命

  1.3 失效分析

  在高压高水基动密封工况下 , 传统麻纤维软填料的使用寿命都很短暂,只能用小时计算,其中 4 号样品使用寿命51 h , 其他 3 个样品都在 24 h 之内。从整个工作过程看 ,乳化液泵开始工作不久,宏观可见被磨损掉的固体润滑剂和微量破断纤维随油液一起从柱塞杆的外伸端( 轴头) 被排泄出填料箱之外,导致密封界面接触应力变小, 被封的高压高水基介质随之发生泄漏并连同固液润滑剂等一起沿轴头滴落到地面或接水盘中,很快达到允许泄漏量, 为此就得再次预紧压盖 ,每个工作周期很短,所以使用寿命也很短,过早失效是由于磨损太快引起的,寿命问题实质上是磨损问题,而且在高压高水基动密封工况下很难测定具体成分的失重和磨痕宽度。

  浸渍后的填料表面依旧存在有规律的隆起和凹陷( 花纹间) 的编织花纹, 经过初始工作后,隆起部位的表面纤维也必然被暴露出来 , 而凹陷部位(花纹间) 仍被固体润滑剂所覆盖,暴露的纤维是主要承载体并对花纹间的固体润滑剂起到拦阻和封存作用,从而形成一个比较平整的密封摩擦平面。在摩擦界面上, 当液体润滑剂减少之后 ,可以通过预紧压盖,将填料体内液体润滑剂再次补充到界面上去, 而当填料表面花纹间的固体润滑剂被磨损掉之后, 纤维之间就形成了微观泄漏通道, 因填料体内固体润滑剂较少且不流动 ,预紧压盖,固体润滑剂不能补充到摩擦界面上来弥合微观泄漏通道,这就导致了泄漏现象的发生。因此, 在摩擦界面上,软填料表面固体润滑剂能够保留多少或者说保留面积的大小是影响麻纤维软填料抗磨损性能和使用寿命的重要因素 ,所以, 可用软填料表面固体润滑剂的保留面积大小来评价抗磨损性能的优劣 ,固体润滑剂保留面积大 ,说明软填料抗磨损性能好 ,密封界面平整,使用寿命长( 使用寿命长短可间接评价抗磨损性能)。

  传统麻纤维软填料抗磨损性能差的主要原因:

  (1) 纤维强度和导热性较低

  传统麻纤维软填料采用单一纤维 , 强度和导热性较差,易磨断 ,纤维横向拦挡固体润滑剂的能力变差,导致固体润滑剂易磨损。

  (2) 传统浸渍工艺较简单粗糙,固体润滑剂的聚合物颗粒间的黏结强度较低

  传统浸渍工艺, 无论是浸渍单一固体,还是先浸固干燥后再浸液 ,浸渍材料没有具体数量的配比控制,织物在浸胶器中分别浸饱为止 ,液体润滑剂主要分布在填料体内 ,固体润滑剂主要分布在填料表面 ,固体润滑剂仅靠分子间引力凝聚在一起 ,板结成块 ,没有黏结强度, 不但在包装、运输和装配期间容易破碎离散,在密封工作中,固体润滑剂也容易从填料表面脱吸而转移到金属柱塞杆表面上 ,产生黏着磨损并被带出填料箱之外, 传统麻纤维软填料密封环失效后, 表面固体润滑剂所剩无几 , 保留面积几乎为零,填料表面纤维全面裸露出来甚至能看清编织花纹的角度,表面不平整 ,高压高水基介质很容易穿透纤维间的微小缝隙而产生泄漏。

  综上分析可知, 为减少传统麻纤维软填料表面固体润滑剂的磨损 ,延长使用寿命,必须对纤维的成分和浸渍工艺加以改进 。

  2 麻纤维软填料抗磨损技术研究

  2.1 纤维混纺设计

  以麻纤维为主 ,混入其他纤维。将麻纤维、棉纤维和铜纤维按 4∶ 1∶ 0. 5 的比例混纺加入棉纤维有利于织物韧性和浸渍性 , 加入铜纤维可提高导热性和强度,织物纤维不易破断,能有效挡阻封闭编织花纹间的固体润滑剂, 减少其磨损。

  2.2 可控成分共浸工艺

  传统浸渍工艺是单一浸渍或分别浸渍方式 ,而共浸工艺是将固液润滑剂同时浸渍编织物 。

  (1) 共浸工艺的特点

  ①固液润滑剂的相对量可控调配 将固液润滑剂等按一定比例调配成可流动的浸渍胶液 ,搅拌后浸渍混纺织物,干燥后 ,流动胶体变成固态胶体。传统浸渍工艺, 固体润滑剂的聚合物颗粒依靠分子引力凝聚在一起,颗粒间是空穴, 结合力弱 , 易破碎分离 ,没有黏结强度。采用新工艺 ,聚合物颗粒表面完全被液体润滑剂所包裹 , 依靠固液两相的互相黏附结合成一个较为牢固的整体 ,胶体本身黏结强度高,可达到 500 MPa 以上, 而且对织物的附着性也好 ,工作中固体润滑剂不易脱吸剥落, 磨损少。

  ②浸渍胶具有析油性 将 4 块浸渍胶分别用棉纸包裹 , 3 块放入干燥箱中 ,在 30 ℃、60 ℃和 90 ℃下分别加热,取出观察棉纸 , 常温和 30 ℃的棉纸基本没有吸油 ,温度越高, 棉纸吸油越多, 这说明浸渍胶有含油轴承的特点, 温度升高自动向外析油。

  (2) 液体润滑剂的含量对浸渍胶黏结强度的影响分析

  液体润滑剂黏度在 40 ~ 90 m2 s 。胶中液体润滑剂含量的多少对黏结( 结合)强度影响较大 ,做模拟拉拔试验装置如图 2 , 测定胶体中液体润滑剂的最佳理论含量 ,试验结果列表 2 , 胶体拉拔试验曲线见图 3 ,由图 3 可看出, 理论含量控制在 15 %~ 19 %为宜,强度较高并具有一定伸长量。

图 2 胶体模拟拉拔装置

图 3 胶体拉拨试验曲线

表 2 试验样品和应力值

  2.3 改进后麻纤维软填料的制备工艺过程

  改进后麻纤维软填料的制备工艺过程如图 4 所示。

图 4 麻纤维软填料的制备工艺

  3 改进后的麻纤维软填料的抗磨损性能

  改进后的国产麻纤维软填料仍按1.1 试验条件进行台架试验并在井下进行工业性寿命试验, 观测固体润滑剂保留面积和使用寿命。

  ( 1) 台架试验

  改进后的麻纤维软填料经1500 h 台架试验后,停机观察摩擦副表面形貌。填料表面花纹间的固润滑剂依然清晰存在,保留面积约占照片观测面积的13 ,填料表面平整 , 金属表面没有大块固体润滑剂转移膜,这说明改进后的国产麻纤维编织软填料的抗磨损性能显著提高。

  ( 2) 工业性使用寿命试验

  经改进后的国产麻纤维软填料在煤矿井下乳化液泵上与国内外同工况使用的密封件进行平行对比试验,结果见表3 ,平均使用寿命是夹布橡胶圈的 10倍以上,是国外同类产品的 2 倍。

表 3 填料和寿命比较

  4 结语

  (1) 高压高水基动密封工况下,国内传统的麻纤维软填料的使用寿命只有 1~ 2d。填料过早失效的主要原因是传统浸渍工艺水平以及织物强度较低,导致填料表面固体润滑剂黏结强度低,易破碎磨损,表面纤维全部裸露, 纤维之间的微观孔隙构成了泄漏通道。

  (2) 对纤维织物采用混纺设计和共浸工艺,改进后的国产麻纤维软填料在高压高水基动密封工况下经 1500 h 台架试验后检查, 填料表面平整, 固体润滑剂覆盖保留面积大, 微观孔隙泄漏通道少, 抗磨性能提高。在煤矿井下做寿命试验, 平均寿命高达180d。

  (3) 改进后的国产麻纤维软填料不但使用寿命长,而且性价比也好,随着高水基流体机械设备的不断发展, 这种密封材料的应用前景好。为进一步提高国产麻纤维软填料的密封寿命, 可考虑棉麻碳纤维或棉麻芳纶纤维混纺, 进一步提高织物强度并降低摩擦系数; 固体润滑剂可考虑采用纳米级颗粒,进一步提高固体润滑剂的黏结强度。

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