多元高分子复合材料在液压与气动系统密封中的应用.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 2年 第 6期 多元高分子复合材料在液压与 气动系统密封中的应用 李振环 ， 杨 家义 ， 孔 建 合肥通用机械研究院， 安徽 合肥2 3 0 0 3 1 摘要 介绍 了多元 高分子复合材料制造的技术特点 、 多种组合系列的应用性 能及其制造 的密封制品 ， 通过在泵 、 阀门、 压缩机 、 风机 、 换热器 、 压力容器等通用机械液压与气动系统 中的应用， 反映出应用性能可靠 、 使用寿命长等优 良效果 。 关键词 多元高分子复合材料 ； 制造技术特点 ； 性能 ； 应用 ； 效果 中图分类号 T B 4 2 ； T Q 3 2 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 6 0 0 5 2 0 5 Ap p l i c a t i o n o f M u l t i p l e El e me n t Po l y m e r Co mp o s i t e M a t e r i a l s o n S e a l i n g o f Hy d r o P ne u ma t i c S y s t e ms L 1 Z h e n - h u a n， Y ANG J 一 i ， KO NG J i a n H e f e i G e n e r a l Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， H e f e i 2 3 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e ma n u f a c t u rin g t e c h n o l o g y c h a r a c t e ri s t i c s 、 a p p l i c a t i o n p r o p e r t i e s a n d s e a l i n g p r o d u c t s o f mu l t i p l e e l e me n t p o l y me r c o mp o s i t e ma t e r i a l s we r e i n t r o d u c e d ．T h e a p p l i c a t i o n o f c o mp o s i t e ma t e ria l s o n p u mp v a l v e c o mp r e s s o r 、 f a n、 h e a t e x c h a n g e r ， v e s s e l g e n e r a l me c h a n i c s s h o w e d t h a t t h e ma t e ria l s h a d f e a t u r e s a s a p p l i c a t i o n r e l i a b i l i t y、 l o n g s e r v i c e l i f e a n d S O o n ． Ke y wo r d s mu l t i p l e e l e me n t p o l y me r c o mp o s i t e ma t e ri a l s ； ma n u f a c t u rin g t e c h n o l o gy c h a r a c t e ris t i c s ； p r o p e rt i e s ； a p p l i c a t i o n； e f f e C t O 概述 在经济建设 的各个 领域中 ， 泵 、 阀门 、 压缩机 、 风 机 、 压力容器等通用机械产品有着广泛的应用 ， 使用工 况多种多样 ， 产品结构型式千变万化 ， 品种规格相 当繁 多 ， 这些产 品对促进国民经济快速发展和国际贸易 、 民 生健康 、 环境保护等各个方面有着非常重要的作用。 随着科学技术 的进 步，人 民生活水平 的提高和我 国加入 WT O后 国际 贸易 竞争 的需 要 ， 产 品 的升级 换代 已迫在眉睫。国际社会不仅需要产品质量的提高， 而且 要求在生产高质量产品的同时 ，还要保护劳动者的身 体健康和绿色生态环境 ，提高生产效率和注意节约能 源 ， 做到社会的物质文明和精神文明共 同良好发展。按 照这个要求 ． 不仅要使产品生产工艺先进 ， 做到与时俱 进 ， 而且要求生产设备 自动化 、 连续化 、 智能化。在高速 高效节能环保要求 的前提下 。与此配套应用的通用机 械产品在使用 中也暴露出很多薄弱环节 ，除 了产品结 收 稿 日期 2 0 1 2 - 0 3 2 2 作者简介 李振 环 1 9 3 9 一 ， 男 ， 江苏徐州人 ， 教授级高工 ， 学士 ， 主要从事 高分子复合材料 的性能研究及军 、 民密封制 品应用工作。 5 2 构设计的不 良因素影响外 。在液压与气动系统密封制 品的材料使用上也不同程度地出现了耐高温 、 耐腐蚀 、 耐磨损 、使用寿命等方面与设备使用要求不适应的现 象。为了满足现代化生产工艺 、 设备及技术对通用机械 产 品及其配件的使用要求 ，除 了用 现代科学理念 和 C A D、 C A E、 C A M对 通用机械 产 品高性 能参数 进行 设 计 、 加工外 ， 对其所使用的金属和非金属材料也必须进 行提高性能的研制。现将我院多年来研制 的高性能通 用机械产品用多元高分子复合材料的性能及在液压与 气动系统密封 中的应用概况介绍如下 。 l 通用机械产品用 多元高分子复合材料 制造技术特点 多元高分子复合材料是指用两种或多种特种工程 塑料为基础原料 。 在机械设备和一定的工艺条件下 ， 迫 使多种高分子材料紧密接触增加其相容性 ，通过物理 化学作用， 可改性为兼备多种材料特性的复合材料。经 过 不同填料的添加和特殊 的生产 工艺制成 的新 型材 料 ， 可根据用户对产 品的性能结构特点 、 生产数量 、 产 品价格及使用寿命等诸多因素的要求 ，更为科学合理 Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 6 ． 2 0 1 2 地设计高分子复合材料配方及生产工艺 ，生产出物美 价廉的产品 ， 使其更符合实际生产需要 ， 提高材料利用 率 ， 降低生产成本 、 使用性能可靠的 目的。我院根据通 用机械产品的发展和应用 。 重点开展了耐高低温、 耐磨 损 、 耐腐蚀 、 长寿命密封制品【 1 ] 用多元高分子复合材料 的应用性能及制品加工技术的研究工作 ，经过多年的 研究和应用 ，现已形成 了用 P E E K K、 P E E K、 P I 、 P T F E、 P O B 、 P P L、 P P S等多种多元高分子交替匹配构成的复合 材料组合体系， 它们的性能特点分别有耐高、 低温型、 高强度型、 低摩擦磨损型 、 高抗 冲击型 、 耐疲劳型 、 耐腐 蚀型 、 耐超低温型、 长寿命型 、 耐老化型 、 特殊润滑型 、 高价位型、 低价位型 、 中价位型及综合性能优 良型的多 元高分子复合材料 ． 作为泵 、 阀门、 压缩机 、 风机 、 压力 容器等通用机械产品中的动 、 静密封及其配件使用 ， 使 用效果 良好 ， 受到了用户的好评。 多元高分子复合材料拟订配方的原则主要是根据 高性能通用机械产品及配件 的实际应用工况和产品结 构、 生产数量、 成本等因素考虑的， 采用两种或多种高 分子材料为基础原料 。主要是通过发挥高分子材料本 身的固有特性和相容性及填料的选择 、 表面处理、 最佳 用量匹配和辅助原料的确定 、 加工工艺等因素 ， 确定配 方制造的复合材料综合物理机械性能优 良，该材料的 密封制品具有耐磨损 、 长寿命 、 适用于多种介质和高低 温等工况 的突出特点 。满足了高性能通用机械产品的 使用要求。 2 多元高分子复合材料的性能 2 ． 1 以 P l 为主体的多元高分子复合材料的性能 该类高分子复合材料是以全芳香族聚酰亚胺树脂 [2 】 为主， 与其他少量相容性树脂共混和填加特殊的填充 材料， 运用高新加工成型技术和设备制造出来的。它有 不 同的等级和优良的复合材料物理机械性能及系列产 品标准 。 具有耐超高 、 低温 、 耐磨损 、 耐电器绝缘 、 耐等 离子体 、 耐放射线 、 耐化学介质 、 耐润滑脂 、 油 、 溶剂 、 耐 高真空 、 低压缩变形及优 良的机械加工性能。其性能指 标和可调整技术范围见表 1 。 2 ． 2以 P E E K或 P E E K K为主体 的 多元高 分子 复合 材 料 的性 能 该类高分子复合材料『3 1 是以全芳香族聚芳醚酮类 树脂为主，与其他少量相容性树脂共混和填加特殊的 填充材料 。其中包括用表面处理技术处理过 的纳米填 料， 运用高新加工成型技术和设备制造出来的【 3 J 。该材 料机械性能优 良，是韧性和刚性兼备并取得平衡的特 种材料 ， 耐疲劳性可与合金材料相媲美。此外 ， 还具有 优异的滑动特性 ，适用于做低摩擦系数和高耐磨损的 动 、 静密封制品及配件。可耐除浓硫酸及一些强氧化性 的介质以外的任何化学试剂的腐蚀 。吸水率很低 ， 具有 优异的电绝缘性 、 耐辐射性和耐天候老化性能 ， 适用于 做耐温范围一 4 0 3 5 0 C 范围内的密封制品。其性能指标 和可调整技术范围见表 2 。 表 1 性能指标可调整范围 表 2性能指标可调整范 围 2 ． 3 以 P TF E为主体的多元高分子复合材料的性能 该类高分子复合材料是以聚四氟乙烯 为主， 与其 5 3 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 6期 他少量相容性树脂共混和填加特殊的填充材料 ，运用 高新加工成型技术和设备制造出来的。该复合材料具 有优异的耐高低温性能 ，最高工作温度可达 2 8 0 C。 低 温下具有 良好 的机械韧性 ， 即使温度下降到一 l 9 6 ℃， 理 论上也可保持 5 ％的伸长率。具有优异 的耐腐蚀性能 ， 对大多数化学药品和溶剂表现 出惰性 ， 能耐强酸强碱 、 水和各种有机溶剂 ， 是优秀的固体润滑材料。其性能指 标和可调整技术范围见表 3 。 表 3性能指标可调整范围 3 多元高分子复合材料制品机械加工技术 3 ． 1机 械加 工技 术 多元高分子复合材料制品由于具有优 良的综合物 理机械性能 ，因而利用常规的机械加工刀具只能加工 部分产 品， 对于高强度 、 耐磨损 、 耐高温 、 高精度要求的 制品加工是 比较困难 的，必须使用碳化物或金刚石刀 具 ， 才能获得高效率 、 长寿命的效果。因此在进行车削 加工时， 切削速度 、 进刀速度要 比加工普通制品的速度 低 ， 铣削 、 钻孔等也应如此 。最好的方法是在加工前对 制品毛坯退火 。 在机械加工或精加工过程 中， 切削点形 成的局部升热 ， 可能导致材料 出现局部应力集 中。 为了 消除内应力对加工好的制品的工作性能的影响 ，要对 大批量零件在机械加工和精加工后 ，最好再进行二次 退火处理 ，退火温度和时间根据产品的结构和尺寸而 确定 。 3 - 2水射 流切 割加 工技 术 水作为廉价的资源已成为人类生活中不可缺少的 组成部分 ，水资源 的巧妙利用是现代科学技术研究的 54 重要内容之一。我院经过多年的努力 ， 已在水设备应用 领域研究 中取得 了清洗 、 除锈 、 切割 、 特殊喷射等多项 技术成果。利用这个独特的优势 ， 我们进行 了水射流切 割多元高分子复合材料制品加工技术的研究 。 试验用 WJ 2 5 0型切割机组 ， 该机组由主机 、 超高压 泵计算机控制及系列切割平 台 3大部分组成。该机组 除切割外还可用于钻孔 、 磨削、 抛光 、 镂刻等加工工艺。 试验时先将要切割的工件尺寸输入到计算机内．经识 别认可及模拟实验运行无误后 ，再将要切割的工件固 定 在切 割 台上 ，然后 打开 主机 ，把 水 加压 至 1 0 0 1 2 8 MP a的超高压力 ， 经水喷出 ， 再加入特定磨料 ， 水与 磨料的混合液通过 0 ． 8 m m直径的磨料喷嘴以超音速作 用于工件上 ， 完成对工件的切割。 试验证 明， 水射切割机组具有 以下特点 ①对材料 无选择性 ， 无热力效应产生； ②切割质量好； ③可从任 意点开始切割成任意复杂的图形； ④无环境污染； ⑤操 作简单 ， 控制全面准确 、 系统运行稳定 。所以水射流切 割加工技术是加工多元高分子复合材料制品较好的选 型设备。 3 ． 3精加 工技 术 为了满足某些特殊制品的精度要求 ． 还要制造专门 设备和器具对多元复合材料制品进行精加工。 这样虽然 加工和制品费用增加 了， 但保证了制品的使用要求。 4 多元高分子复合材料制品应用简况 根据通用机械 中压缩机 、 风机 、 泵 、 阀门 、 换热器 、 压力容器等产品在液压与气动系统 中的应用f5 _ 踟 ， 常用 的多元高分子复合材料密封制品结构形式有 O形 、 瓣 形、 圆弧形 、 U形 、 v形 、 唇形 、 波形 、 凸形 、 凹形、 山形 、 组 合形 橡胶金属与其组合或橡胶与其组合 、 矩形 、 楔形 等等 ，多种多样 的密封制品是根据产品的使用工况和 管路连接的形式决定的，其 目的是通过密封制品结构 形式和尺寸的调整 ， 来适应其使用工况和对摩擦系数 、 应力应变 、 密封追随性 、 润滑 、 密封等密封相关技术参 数和寿命 的要求 。现将应用情况与部分应用产品照片 简述如 下 。 4 ． 1 压缩机行业应用情况 配套在全无油 自润滑压缩机上 的阀片 芯 ， 材料 性能 良好 ， 耐磨损 ， 使用寿命长 ， 使用性能安全可靠 ， 改 变了以往使用聚四氟 乙烯复合材 料耐冲压性能差 、 易 变形的弱点以及尼龙材料不耐磨损 、使用寿命短 的缺 点。随后又相继开发出了用于压缩机的多瓣密封环 ， 完 成了宝钢的进 口氢气压缩机 的三瓣密封环的国产化替 代工作 ， 该压缩机 的工况条件恶劣 压力 6 0 M P a ； 温度 液 压 气动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 6期 核主泵流体静压式二级密封的 压力变形数值研究 张 杰 ， 李 鲲 ， 吴兆 山， 丁思-Z - ， 杨博峰 ， 郑 国运 合肥通用机械研究院 压缩机技术国家重点实验室 ， 安徽 合肥2 3 0 0 3 1 摘 要 采用 A N S Y S软件和 F L U E N T软件数值分析了在核主泵一级 密封 失效 时， 流体静压式二级密封在 密封 压力下由接触式转变为 非接触式机械密封的机理 、 密封端面的压力变形规律 、 密封液膜 的流体动力学特性 、 以及 密封端面变形对密封性能的影响规律。 关键词 接触式机械密封 ； 非接触式机械密封； 压力变形 ； 流体 动力学特性 中图 分 类 号 T B 4 2 文献 标 识 码 A 文章 编 号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 6 0 0 5 6 0 4 Nu me r i c a l S t u d y o n Pr e s s u r e De f o r ma t i o n o f t h e Hy d r o s t a t i c S e c o nd M e c h a n i c a l S e a l o f R e a c t o r Co o l a n t Pu mp Z H AN G ．1 i e ， L I K u n ， u Z h a o - s h a n ， D I N G S i - y u n ， Y A NG B o - f e n g ， Z H E N G G u o - y u n He f e i G e n e r a l Ma c h i n e r y R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S t a t e K e y L a b o r a t o ry o f C o m p r e s s o r T e c h n o l o g y ， H e f e i 2 3 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e me c h a n i s m f r o m c o n t a c t i n g t o n o n - c o n t a c t i n g f o r m i n t h e h y d r o s t a t i c s e c o n d me c h a n i c a l s e a l w h e n t h e fi r s t s e a l o f Re a c t o r C o o l a n t P u mp f a i l e d wa s n u me r i c a l s t u d i e d b y A NS YS a n d F L UE NT ．T h e p r e s s u r e d e f o rm a t i o n o f s e a l i n g f a c e ，t h e fl u i d d y n a mi c s b e h a v i o r o f s e a l i n g fi l m a n d t h e s e ali n g p e r f o rm a n c e w e r e a n aly z e d ． Ke y wo r d s c o n t a c t i n g me c h a n i c al s e a l ； n o n c n n t a e t i n g me c h a n i c a l s e al ； p r e s s u r e d e f o r ma t i o n； fl u i d d y n a mi c s b e h a v i o r O 前言 核反应堆冷却剂主循环泵 以下简称核主泵 机械 基 金项 目 国家十二五科技 支撑计 2 0 1 1 B A F O 9 B 0 5 ； 国家重点基 础研 究专项经费资 9 7 3计划 ， 2 0 1 0 C B 7 3 6 0 0 6 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 0 5 作者简介 张杰 1 9 8 2 一 ， 男 ， 山东海阳人 ， 工程师 ， 博士后 ， 主要从事流体 机械与机械密封的研发工作。 泵及阀门填料 函外漏攻关 ， l m大球阀西气东输管道用 阀门密封圈的研制 ， 高压浮环密封试验系统装置 、 高压 容器 、 高压阀门、 高压气体压缩机等多项所需非金属材 料研究和应用工作 ， 其中聚四氟乙烯复合材料在密封 、 防腐等领域 中的应用有着和我 国聚四氟乙烯材料发展 的同步历史 ， 为我国石油化工及人民生 活所需水 、 电 、 汽 、 气 、 油 、 化工介质液压与气动的安全输送起到 了积 极 的推动作用。在高科技发展的今天 ， 我院又随时代的 步伐 ， 进行了多元高分子复合材料的研究和应用工作 ， 在 领导 的大力支持和老 中轻团队同志的辛勤工作下 ， 又做到了与时俱进的发展。相信我们的明天更美好 。 参 考 文 献 [ 1 】 李振环 ， 李鲲 ， 等． 高强度 、 低磨损 、 长寿命 复合材料 密封件 与 6 密封是核主泵的关键部件 ，机械密封的安全可靠直接 决定 了核 主泵 的安 全运行 。 秦山核电二期 、广东大亚湾核电站的核主泵机械 密封均采用了 3级流体静压式密封。其 中二级密封为 一 级密封失效后的备用密封。在特殊工况 一级密封遭 受损坏 时， 二级密封可以短时间内在压力作用下发生 变形 ， 由接触式机械密封转变为非接触式机械密封 ， 承 的研究和应用J R ] ． 合肥 合肥通用机械研究 院． 2 0 0 2 ． [ 2 】 石安富 ， 龚 云表． 工程塑料 、 性能 、 成型应用[ M】 ． 上 海 上 海科 学技术出版社 ． 1 9 8 6 ． 【 3 ] 班 玉红 ， 吴 兆山 ， 孔建 ， 等． 聚醚醚酮复合材料 的性能及 在通 用机械中的应用【 J ] ． 流体机械 ， 2 0 0 9 ， 5 ． 【 4 J 李振环 ， 李妍 ， 等． 氟及 复合材料在通用机械产 品中的应用f J 1 ． 有机氟工业 ， 2 0 0 4 ， 2 ． [ 5 ] 李振环 ， 杨家义 ， 孔建． 液压 隔膜计量 泵用 隔膜组件 的制 造技 术[ R I ． 无锡 中国国际氟塑料加工发展论坛 ． 2 0 0 9 ． 【 6 1 钱知勉 ， 包永 忠． 氟塑料加工与应 用[ M 1 ． 北京 ， 化 学工业 出版 社 ． 2 0 1 0 ． 【 7 ] 杨家义 ， 王鹏亮 ， 等． 高性 能复合 材料 在多级 离心压 缩级 间密 封 中的应 用[ C ] ／ ／ 2 0 1 l 压缩 机技 术学术会 议论文集 ． 合肥 合 肥工业大学 出版社 ． 2 0 1 1 1 8 1 - l 8 5 ．