摘 要：采用 MRB125 31 . 5 往復式柱塞乳化液泵對國內麻纖維軟填料進行失效分析, 結果表明: 過早失效是由于填料纖維和表面固體潤滑劑的磨損較大引起的。通過纖維混紡設計和共浸工藝,顯著提高固體潤滑劑和麻纖維的結合強度,改進后的麻纖維軟填料經臺架試驗后表面平整,表面固體潤滑劑的保留面積大; 經工業性使用壽命試驗考核, 平均使用壽命是原用夾布橡膠圈的10倍以上,是國外同類產品的2 倍 。

　　關鍵詞：麻纖維;軟填料;高壓;高水基流體;磨損

　　1 國內麻纖維軟填料在高壓高水基動密封工況下的失效分析

　　麻纖維來源廣泛,價格低廉,用它做為骨架主體材料并填充固液潤滑劑及添加劑所制成的編織軟填料,應用歷史最為久遠,是一種傳統的軟填料。首先將它置于高壓高水基動密封工況進行試驗, 分析失效原因,進而找出改進的方法。

　　1.1 試驗條件

　　試驗機型: MRB125 31.5 往復式曲軸連桿塞式乳化液泵; 柱塞平均線速度 v =1.5 ～2.0 m s ;壓力31. 5 MPa;高水基工作液性質: 密度為 0.90～0. 99gcm3; 黏度為1.20 mm2s;pH 值為 7～9.5,含水量>95 %。

　　柱塞泵填料箱構造如圖 1 所示, 預緊壓蓋或螺套,軸向壓緊,填料徑向變形充實密封間隙并與耦合的金屬柱塞桿緊密接觸, 徑向產生的壓力為接觸應力,當填料密封界面的接觸應力大于等于內腔壓力時就能實現動密封, 泵從開始工作直到出現泄漏( 允許泄漏量) 這一時間段為一個周期,然后再次預緊壓蓋,又進入下一個周期, 不斷循環下去直到失效, 填料的使用壽命就是由許多個周期累積而成的。

　　1.2 試驗用傳統麻纖維軟填料及使用壽命試驗樣品和使用壽命見表1 ,每組樣品3 個,取平均壽命。

　　1.3 失效分析

　　在高壓高水基動密封工況下 , 傳統麻纖維軟填料的使用壽命都很短暫,只能用小時計算,其中 4 號樣品使用壽命51 h , 其他 3 個樣品都在 24 h 之內。從整個工作過程看 ,乳化液泵開始工作不久,宏觀可見被磨損掉的固體潤滑劑和微量破斷纖維隨油液一起從柱塞桿的外伸端( 軸頭) 被排泄出填料箱之外,導致密封界面接觸應力變小, 被封的高壓高水基介質隨之發生泄漏并連同固液潤滑劑等一起沿軸頭滴落到地面或接水盤中,很快達到允許泄漏量, 為此就得再次預緊壓蓋 ,每個工作周期很短,所以使用壽命也很短,過早失效是由于磨損太快引起的,壽命問題實質上是磨損問題,而且在高壓高水基動密封工況下很難測定具體成分的失重和磨痕寬度。

　　浸漬后的填料表面依舊存在有規律的隆起和凹陷( 花紋間) 的編織花紋, 經過初始工作后,隆起部位的表面纖維也必然被暴露出來 , 而凹陷部位(花紋間) 仍被固體潤滑劑所覆蓋,暴露的纖維是主要承載體并對花紋間的固體潤滑劑起到攔阻和封存作用,從而形成一個比較平整的密封摩擦平面。在摩擦界面上, 當液體潤滑劑減少之后 ,可以通過預緊壓蓋,將填料體內液體潤滑劑再次補充到界面上去, 而當填料表面花紋間的固體潤滑劑被磨損掉之后, 纖維之間就形成了微觀泄漏通道, 因填料體內固體潤滑劑較少且不流動 ,預緊壓蓋,固體潤滑劑不能補充到摩擦界面上來彌合微觀泄漏通道,這就導致了泄漏現象的發生。因此, 在摩擦界面上,軟填料表面固體潤滑劑能夠保留多少或者說保留面積的大小是影響麻纖維軟填料抗磨損性能和使用壽命的重要因素 ,所以, 可用軟填料表面固體潤滑劑的保留面積大小來評價抗磨損性能的優劣 ,固體潤滑劑保留面積大 ,說明軟填料抗磨損性能好 ,密封界面平整,使用壽命長( 使用壽命長短可間接評價抗磨損性能)。

　　傳統麻纖維軟填料抗磨損性能差的主要原因：

　　(1) 纖維強度和導熱性較低

　　傳統麻纖維軟填料采用單一纖維 , 強度和導熱性較差,易磨斷 ,纖維橫向攔擋固體潤滑劑的能力變差,導致固體潤滑劑易磨損。

　　(2) 傳統浸漬工藝較簡單粗糙,固體潤滑劑的聚合物顆粒間的黏結強度較低

　　傳統浸漬工藝, 無論是浸漬單一固體,還是先浸固干燥后再浸液 ,浸漬材料沒有具體數量的配比控制,織物在浸膠器中分別浸飽為止 ,液體潤滑劑主要分布在填料體內 ,固體潤滑劑主要分布在填料表面 ,固體潤滑劑僅靠分子間引力凝聚在一起 ,板結成塊 ,沒有黏結強度, 不但在包裝、運輸和裝配期間容易破碎離散,在密封工作中,固體潤滑劑也容易從填料表面脫吸而轉移到金屬柱塞桿表面上 ,產生黏著磨損并被帶出填料箱之外, 傳統麻纖維軟填料密封環失效后, 表面固體潤滑劑所剩無幾 , 保留面積幾乎為零,填料表面纖維全面裸露出來甚至能看清編織花紋的角度,表面不平整 ,高壓高水基介質很容易穿透纖維間的微小縫隙而產生泄漏。

　　綜上分析可知, 為減少傳統麻纖維軟填料表面固體潤滑劑的磨損 ,延長使用壽命,必須對纖維的成分和浸漬工藝加以改進 。

　　2 麻纖維軟填料抗磨損技術研究

　　2.1 纖維混紡設計

　　以麻纖維為主 ,混入其他纖維。將麻纖維、棉纖維和銅纖維按 4∶ 1∶ 0. 5 的比例混紡加入棉纖維有利于織物韌性和浸漬性 , 加入銅纖維可提高導熱性和強度,織物纖維不易破斷,能有效擋阻封閉編織花紋間的固體潤滑劑, 減少其磨損。

　　2.2 可控成分共浸工藝

　　傳統浸漬工藝是單一浸漬或分別浸漬方式 ,而共浸工藝是將固液潤滑劑同時浸漬編織物 。

　　(1) 共浸工藝的特點

　　①固液潤滑劑的相對量可控調配 將固液潤滑劑等按一定比例調配成可流動的浸漬膠液 ,攪拌后浸漬混紡織物,干燥后 ,流動膠體變成固態膠體。傳統浸漬工藝, 固體潤滑劑的聚合物顆粒依靠分子引力凝聚在一起,顆粒間是空穴, 結合力弱 , 易破碎分離 ,沒有黏結強度。采用新工藝 ,聚合物顆粒表面完全被液體潤滑劑所包裹 , 依靠固液兩相的互相黏附結合成一個較為牢固的整體 ,膠體本身黏結強度高,可達到 500 MPa 以上, 而且對織物的附著性也好 ,工作中固體潤滑劑不易脫吸剝落, 磨損少。

　　②浸漬膠具有析油性 將 4 塊浸漬膠分別用棉紙包裹 , 3 塊放入干燥箱中 ,在 30 ℃、60 ℃和 90 ℃下分別加熱,取出觀察棉紙 , 常溫和 30 ℃的棉紙基本沒有吸油 ,溫度越高, 棉紙吸油越多, 這說明浸漬膠有含油軸承的特點, 溫度升高自動向外析油。

　　(2) 液體潤滑劑的含量對浸漬膠黏結強度的影響分析

　　液體潤滑劑黏度在 40 ～ 90 m2 s 。膠中液體潤滑劑含量的多少對黏結( 結合)強度影響較大 ,做模擬拉拔試驗裝置如圖 2 , 測定膠體中液體潤滑劑的最佳理論含量 ,試驗結果列表 2 , 膠體拉拔試驗曲線見圖 3 ,由圖 3 可看出, 理論含量控制在 15 %～ 19 %為宜,強度較高并具有一定伸長量。

　　2.3 改進后麻纖維軟填料的制備工藝過程

　　改進后麻纖維軟填料的制備工藝過程如圖 4 所示。

　　3 改進后的麻纖維軟填料的抗磨損性能

　　改進后的國產麻纖維軟填料仍按1.1 試驗條件進行臺架試驗并在井下進行工業性壽命試驗, 觀測固體潤滑劑保留面積和使用壽命。

　　( 1) 臺架試驗

　　改進后的麻纖維軟填料經1500 h 臺架試驗后,停機觀察摩擦副表面形貌。填料表面花紋間的固潤滑劑依然清晰存在,保留面積約占照片觀測面積的13 ,填料表面平整 , 金屬表面沒有大塊固體潤滑劑轉移膜,這說明改進后的國產麻纖維編織軟填料的抗磨損性能顯著提高。

　　( 2) 工業性使用壽命試驗

　　經改進后的國產麻纖維軟填料在煤礦井下乳化液泵上與國內外同工況使用的密封件進行平行對比試驗,結果見表3 ,平均使用壽命是夾布橡膠圈的 10倍以上,是國外同類產品的 2 倍。

　　4 結語

　　(1) 高壓高水基動密封工況下,國內傳統的麻纖維軟填料的使用壽命只有 1～ 2d。填料過早失效的主要原因是傳統浸漬工藝水平以及織物強度較低,導致填料表面固體潤滑劑黏結強度低,易破碎磨損,表面纖維全部裸露, 纖維之間的微觀孔隙構成了泄漏通道。

　　(2) 對纖維織物采用混紡設計和共浸工藝,改進后的國產麻纖維軟填料在高壓高水基動密封工況下經 1500 h 臺架試驗后檢查, 填料表面平整, 固體潤滑劑覆蓋保留面積大, 微觀孔隙泄漏通道少, 抗磨性能提高。在煤礦井下做壽命試驗, 平均壽命高達180d。

　　(3) 改進后的國產麻纖維軟填料不但使用壽命長,而且性價比也好,隨著高水基流體機械設備的不斷發展, 這種密封材料的應用前景好。為進一步提高國產麻纖維軟填料的密封壽命, 可考慮棉麻碳纖維或棉麻芳綸纖維混紡, 進一步提高織物強度并降低摩擦系數; 固體潤滑劑可考慮采用納米級顆粒,進一步提高固體潤滑劑的黏結強度。

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