硅烷偶联坡缕石添加剂密封润滑液的摩擦磨损性能研究

作     者：党杰 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李双喜

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：机械密封 坡缕石润滑添加剂 摩擦磨损 润滑油 润滑机理 

摘      要：机械密封端面摩擦磨损是导致密封性能下降的关键因素。为提高机械系统的稳定性和延长使用寿命,研究减磨润滑与磨损修复具有重要意义。纳米润滑材料因其独特的结构特征和优异润滑功能而广泛应用于摩擦学领域,常用作高性能的润滑油添加剂。本文采用具有优秀的润滑修复性能的纳米材料作为润滑添加剂,研制出高性能润滑液,并将之应用于机械密封装置,研究端面上的摩擦磨损机理与减摩润滑性能。 选取润滑性能良好的坡缕石作为润滑添加剂,采用机械化学硅烷偶联法,以硅烷偶联剂KH550为改性剂,对坡缕石进行表面改性处理,制得纳米级硅烷改性坡缕石润滑添加剂,提升了其在有机溶液中的悬浮稳定性。通过TEM、SEM、FTIR与XRD等表征手段分析了硅烷改性坡缕石润滑添加剂的微观形貌和化学结构。表征结果表明:改性后的坡缕石由纤维状聚集体转变为类球形颗粒,具有将滑动摩擦转为滚动摩擦的能力,对减摩润滑效果有促进作用。将硅烷改性坡缕石添加于基础油PAO6中,通过分散性试验发现硅烷改性坡缕石在PAO6中的分散稳定性优异,提升了润滑体系的稳定性,腐蚀性试验证明坡缕石润滑添加剂无腐蚀性。 采用多功能摩擦磨损试验机,以销-盘为摩擦副,对不同添加剂浓度下的润滑油进行摩擦学试验,测量试验的摩擦系数与磨损量,对比分析其减摩润滑效果。研究表明,坡缕石润滑添加剂在PAO6中的最佳添加质量分数为2wt%,此时的摩擦系数和磨损量低,结合磨痕表征分析发现磨痕相对光滑,表面凹坑与犁沟较少,磨痕处出现油膜与坡缕石颗粒,结合元素分析发现表面存在少量Si、Mg和Al等元素,表明坡缕石润滑添加剂能够在摩擦副表面形成含有坡缕石的润滑膜,有助于保护摩擦副表面,对磨痕进行一定修复效果。 采用盘-盘的摩擦副以模拟机械密封装置,进行不同工况下的摩擦学性能试验,探究不同润滑介质、不同摩擦副材料下的摩擦磨损性能,结合扫描电镜和能谱分析对痕迹进行测试,分析润滑液的减摩润滑性能和减摩机理。结果表明,在Si C-YG6摩擦副中,硅烷改性坡缕石润滑添加剂能使基础油的摩擦系数和磨损质量分别降低15.4%和11.1%,在Si C-4Cr13摩擦副中分别降低24.7%和28.5%,表明坡缕石纳米材料能够提升润滑油的减磨耐磨性能。根据磨痕分析结果可知,坡缕石润滑液在磨痕处上发现含有O、Si和Mg等坡缕石特征元素,结合长时间试验的磨痕观测结果,表明坡缕石润滑添加剂具有明显的增强润滑性能和磨痕补偿修复性能。 根据机械密封的使用环境与特征尺寸,利用ANSYS有限元软件建立了机械密封分析模型,对比分析了添加坡缕石前后润滑油的性能。根据分析结果得出,添加硅烷改性坡缕石润滑液具有更佳散热性和粘度特征,其密封性能优于基础润滑油,端面温度、端面变形、泄漏率与摩擦功耗分别降低18.1%、13.4%、12.7%和20.11%。基于盘-盘摩擦副的摩擦学实验结果,建立油润滑下的犁沟分析模型,以探究润滑油的压力分布。结果表明,犁沟中心处的承载压力最大,分布均匀,对比分析可知,坡缕石添加剂使基础油的承载能力提升了11.3%,且承载能力随转速和压力的增大而升高。 搭建了机械密封性能试验平台,试验分析不同端面材料和密封润滑液下,密封端面上的温升、磨损量和泄漏率,并结合数值模拟结果进行对比。试验结果表明,坡缕石润滑添加剂能够有效减低机械密封端面的温升约12.8%,提高密封端面的稳定性,试验验证了密封端面的数值分析模型的准确性。 本文通过制备硅烷偶联坡缕石润滑添加剂,将之添加于润滑油制得坡缕石润滑液,通过摩擦磨损试验考察了其摩擦磨损性能。将润滑液应用于机械密封,提出了增强机械密封端面的减摩润滑性能和磨损修复的研究思路。可为摩擦学领域和机械密封的减摩润滑提供重要的理论基础,为提升机械密封端面可靠性和减摩方式提供了参考方法。