C/C复合材质指尖密封的磨损机理及性能分析

摘要

指尖密封作为新型柔性密封装置在航空发动机、汽车发动机、重载高速齿轮箱和重型工程车辆涡轮增压器等重要装备的流体密封部位具有良好的应用前景，近年来使其成为动态密封领域的研究热点。但其迟滞泄漏和磨损寿命改善途径相互矛盾的问题一直难以解决。C/C复合材质独特的自润滑性和良好的耐磨性对提升指尖密封的综合性能十分有益，是改善上述问题的可行技术手段。 为此，本课题研究采用理论分析和相关试验技术，对C/C复合材质指尖密封迟滞泄漏性能和摩擦磨损性能进行全面、系统的分析研究。本课题工作的主要研究内容和研究结论如下： 1．利用ANSYSAPDL建立指尖密封的有限元模型，通过准动态性能分析研究了静态位移激励下C/C复合材质指尖密封的迟滞率和指尖靴与转子表面间的接触压力变化规律。同时对相同条件F传统钴基合金指尖密封进行性能分析，根据分析结果讨论两种材料对指尖密封性能的影响差异。研究结果表明，准动态性能分析可以有效反映C/C复合材质指尖密封的性能特征，其迟滞率和平均接触压力均随上下游压差的增大而增大；但C/C复合材质指尖密封与转子接触面积较大，故具有较小的接触压力，而且由于C/C复合材质具有自润滑特性，在工作中具有更小的摩擦系数。因此，在C/C复合材质指尖密封的结构设计中在保证其迟滞特性的同时，可更多的关注摩擦配副的低磨损特性优势。 2．为研究C/C复合材质的摩擦机理，寻求良好的摩擦配副，根据指尖密封的典型实际工况特征，依据工作PV值相似原理，设计了指尖密封用C/C复合材质的销-盘摩擦试验，研究了C/C复合材质与转子跑道涂层之间的摩擦性能，分别进行了C/C复合材质销与Cr3C2涂层、Al2O3涂层盘和钴基合金销与Cr3C2涂层、Al2O3涂层盘的摩擦试验。研究表明C/C复合材质销-盘配副的摩擦系数整体小于钴基合金销-盘配副，且在C/C复合材质销-盘配副中，随着载荷增加线磨损量均呈增大趋势，其中C/C-Cr3C2涂层摩擦配副的摩擦性能更稳定，磨损量更小；利用SEM扫描电镜分析C/C复合材质销-盘的磨损形貌特征表明，其主要磨损机制为磨粒磨损和少量的粘着磨损，钴基合金会一定程度磨损盘的摩擦表面，而C/C复合材质在两种涂层盘的摩擦表面均难以形成磨损痕迹，磨损性能更加优良。 3.为研究C/C复合材质指尖密封的动态工作性能，计入考虑指尖片与后挡板之间和指尖片之间库伦摩擦力的影响，构建了指尖密封的等效动力学模型，建立了各等效参数的计算方法及指尖密封动态性能的表征方法。利用MATLAB的ode函数求解等效动力学模型，对C/C复合材质指尖密封的动态性能进行分析，并与有限元模型动态分析结果进行了对比分析。研究结果表明：考虑指尖片与后挡板之间和指尖片之间库伦摩擦力的影响下，各层指尖片的位移响应趋势一致但滞后程度不一致，其中第1层指尖片的滞后程度最高；随着上下游压差的增大，C/C复合材质指尖密封的滞后程度也逐渐增加，在实际工程应用中需要综合考虑转子工作特性和压力条件的影响进行结构设计。 4、选择C/C复合材质指尖密封与Cr3C2涂层配副进行了台架性能试验，根据耐久试验前后泄漏率和指尖靴的磨损形貌的测试结果，验证了C/C复合材质指尖密封相较之钴基合金指尖密封不但具有更小的泄漏量，而且具有优良的耐磨性能，经过60小时的耐久性试验后转子摩擦表面无破坏痕迹，与销-盘摩擦试验结果具有良好的一致性，研究结果表明C/C复合材质指尖密封具有优良的综合性能，为其摩擦配副、结构设计以及工程应用提供了重要参考。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2. 研究现状

1.2.1 指尖密封的国外研究现状

1.2.2 指尖密封的国内研究现状

1.2.3 密封用 C/C 复合材质摩擦磨损性能的研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 C/C复合材质指尖密封的准动态性能分析

2.1 指尖密封的结构类型及性能特征

2.1.1 指尖密封的结构类型

2.1.2 渐开线型指尖密封的几何结构

2.1.3 指尖密封的性能特征

2.2 指尖密封的有限元模型

2.2.1 构建指尖密封的有限元模型

2.2.2 指尖密封有限元模型的接触分析

2.2.3 边界条件设定与加载

2.3 C/C复合材质指尖密封仿真结果分析

2.4 本章小结

3指尖密封用C/C复合材质的摩擦磨损性能分析

3.1 摩擦性能试验设备及试验方案

3.2 销-盘摩擦副的选择及制备工艺

3.2.1 销-盘摩擦副的选择及试验条件确定

3.2.2 销-盘摩擦副试样的制备工艺

3.2.3 销-盘摩擦副试样的基本材料属性

3.3 试验结果与讨论

3.3.1 摩擦系数分析

3.3.2 磨损形貌分析

3.3.3 磨损机理分析

3.4 本章小结

4 C/C复合材质指尖密封的动态性能分析及试验研究

4.1 指尖密封等效动力学模型的建立

4.1.1 指尖密封的强迫振动

4.1.2 指尖密封的自由振动

4.2 等效参数计算

4.2.1 等效质量

4.2.2 等效结构刚度系数

4.2.3 等效接触刚度系数

4.2.4 等效摩擦力

4.2.5 转子的位移激励

4.3 C/C复合材质指尖密封的动态性能

4.3.1 指尖密封的泄漏率

4.3.2 指尖密封的平均接触压力

4.4 结果与讨论

4.5 试验研究

4.5.1 C/C复合材质指尖密封动态性能试验设备

4.5.2 C/C复合材质指尖密封制备和性能试验方案

4.5.3 C/C 复合材质指尖密封的试验结果

4.6 本章小结

5总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果