高温高速旋转轴接触式密封材料研制及其密封性能研究

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1、国内图书分类号：TH117.1学校代码：10213国际图书分类号：621.822密级：公开工学博士学位论文高温高速旋转轴接触式密封材料研制及其密封性能研究博士研究生：孙健伟导师：王黎钦教授申请学位：工学博士学科：机械设计及理论所在单位：机电工程学院答辩日期：2014.05.17授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH117.1U.D.C.:621.822DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringResearchonContactSealingMaterialandPerformanceforHighS

2、peedandHighTemperatureRotaryShaftCandidate：SUNJianweiSupervisor：Prof.WANGLiqinAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechanicalDesignandItsTheoryAffiliation：SchoolofMechtronicsEngineeringDateofDefence：2014.05.17Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要航

3、空发动机中的密封、轴承等典型摩擦学部件的滑动摩擦副需要工作在高速、高温、低温和高低温交变等趋近当前材料使用极限的苛刻工作条件下，密封等摩擦副常因表面接触应力过高、摩擦生热加剧及润滑失效而发生磨损加剧现象，从而导致密封失效。为了满足航空发动机向着大推重比、高可靠性和长寿命的趋势发展的需要，密封等零部件的材料特性及其结构需要不断的改进。因此，开展高速高温复合材料摩擦学特性的研究，揭示苛刻工况下复合材料的增强规律和失效机理，以指导新材料的设计和评价，发展航空摩擦学设计规范体系，对推动航空发动机密封技术的发展有重要理论和实际应用价值。本文以小型高速发动机泵用接触式动密封的高速高温

4、工况为背景，结合发动机封严密封介质，完成密封材料配方设计，对密封材料在苛刻环境下的磨损行为进行试验研究，研究填料、温度、速度对密封材料的影响规律，优化耐高温高速密封材料配方；建立密封材料磨损模型，研究密封在不同润滑状态下唇口结构、接触特性的变化关系；建立密封泄漏模型，分析结构参数、材料特性对泄漏的影响，研究密封失效原因。利用M-200摩擦磨损试验机测试了复合材料在常温低速干摩擦条件下的摩擦学性能，利用冲击强度测量仪、邵氏D硬度计、拉伸试验机测试了复合材料力学性能，通过对基本摩擦学和力学性能分析，初步确定了含有碳纤维、球形石墨和鳞片石墨的动密封材料配方及其成型工艺；研制了高

5、速高温滑动磨损试验装置，利用该试验装置，研究了线速度、温度及增强体含量对复合材料磨损率的影响规律，发现速度、温度和鳞片石墨对磨损率有显著影响。利用扫描电子显微镜分析了常温低速、高速、高温高速复合材料磨损表面形貌及断口形貌，在此基础上研究了增强体的增强机理，发现碳纤维提高了复合材料的强度和韧性，同时在高温的条件下，能够起到骨架、阻止基体软化后流动的作用；球形石墨降低了复合材料的摩擦系数；鳞片石墨提高了复合材料的导热性能，增强了复合材料的热稳定性，同时降低了材料基体之间的结合强度。通过对Archard粘着磨损公式和基于分形理论的W-M磨损公式的分析，建立了密封材料磨损数学模型

6、，模拟了开关机、加压、稳定运行阶段在不同润滑状态下磨损过程，分析了唇口结构及其接触特性随磨损时间的变化规律。结果表明由结构带来的接触应力不均匀现象消失，高速密封稳定运行阶段处于流体润滑状态。-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文通过对“表面效应及泵吸作用”唇形密封机理的研究，建立了密封泄漏及回油的数学模型，分析稳定运行阶段密封泄漏量及回油量随磨损时间的变化规律。同时进行了发动机工况适应性试验研究，在给定的运行时间内，密封未出现明显泄漏。关键词高速高温工况；接触式密封；PTFE复合材料；摩擦磨损；密封性能-II-AbstractAbstractInaircraftengine

7、s,slidingcontacttribo-partsintypicaltribo-elements(e.g.seals)oftenrunwithcriticalconditionstendingtothemateriallimitations,suchashighspeed,hightemperature,lowtemperatureandalternativehigh-lowtemperatures.Increasesofwearoftenoccurinthetribo-partsduetohighcontactpress