1 前言

涡旋压缩机具有体积小、节能和高效等优点，广泛应用于制冷、动力工程和航空航天等行业。随着数控加工技术和计算机技术的发展，大功率涡旋压缩机的研究已经成为热点，但摩擦副磨损导致的泄漏问题是其向高性能方向发展的技术瓶颈之一。涡旋压缩机的泄漏主要发生在动、静涡旋齿接触的位置，有轴向间隙的径向泄漏和径向间隙的切向泄漏。由于轴向间隙泄漏线长，泄漏量大。因此，降低径向泄漏量可以极大地提高其综合性能［1］。

根据涡旋压缩机的工况要求，密封条材料除了具备较好的密封性外还必须具有良好的耐磨性。密封条通常在高压差、高速、高温、无润滑的环境下工作，因此制作密封条的材料应具有导热性好、耐磨高、摩擦因数小的特点。当前齿顶密封材料主要是PES（聚醚砜树脂）、PEEK（聚醚醚酮）和纯PTFE（聚四氟乙烯），也有学者提出用PEEK和PES填充PTFE复合材料以获得的摩擦学性能更佳的复合材料。Zeynep Parlar等通过掺杂Al2O3来提高PTFE的抗磨损性能［3］。杨东亚等通过在PTFE中掺杂聚醚醚酮（PEEK）和纳米TiO2获得良好抗磨损性能和低摩擦因数的复合材料［4］。吾良福等将无机填料和有机高分子材料共混，通过试验证明可有效提高密封材料的耐磨性和抗蠕变性［5］。胡亚非等将石墨作为密封材料研究了浸锑石墨、浸树脂石墨和人造石墨的摩擦和磨损行为及转移膜的形成机制，研究显示浸树脂石墨具有良好的摩擦学性能［6］。赵普等研究表明聚酰亚胺可以增加转移膜在对偶件上的结合强度并降低摩擦系数［7］。除了对密封条材料自身性能研究以外，研究者还对密封条应用结构进行了研究，李海生等提出在密封条底部安装弹簧以补偿因密封条磨损造成的轴向补偿，并对密封条进行受力分析，结果表明，当动涡旋盘速度为7.2 m/s时，密封条承受最大压差力70.13 N，齿顶最高温度达到 110 ℃［8，9］。

涡旋压缩机涡旋盘常用材料为HT250，本文将PES、PEEK、PTFE以及填充PTFE复合材料分别与HT250配副，参考文献［8，9］中压差力值和速度值，在高速端面摩擦试样机上进行摩擦磨损模拟试验，对摩擦副摩擦学性能进行对比分析，筛选出满足耐高温、耐磨、摩擦因数小等特点的密封条材料。同时研究模拟涡旋压缩机变工况条件下，填充PTFE复合材料的摩擦学性能，讨论载荷、速度对摩擦因数、磨损率影响的变化规律，为将其进一步应用到涡旋压缩机齿顶密封当中提供理论依据。

2 试样制备与试验方法

2.1 试样制备

聚四氟乙烯（PTFE）密度2.15 g/cm3，白色；聚醚砜树酯（PES）密度1.38 g/cm3，淡黄色；聚醚醚酮（PEEK）密度1.34 g/cm3，黑色。聚酰亚胺填充的PTFE复合材料密度1.68 g/cm3，线膨胀系数为7.8×10-5/℃。下试样材料为灰铸铁，牌号HT250，尺寸为φ43 mm×3 mm的圆盘；被测试样材料为以上4种高分子材料，为了被测试样装夹方便，按照被测试样尺寸加工一个夹具，将这4种高分子材料加工成尺寸为外径φ56 mm、内径φ35 mm、高度为3 mm的环，然后镶嵌在夹具当中。摩擦副结构如图1所示。

电力负荷预测一直是电力系统研究中最重要的问题之一，对实现电能经济化、设计规范化、调度科学化起着至关重要的作用[4]。准确的电力负荷预测可以有效帮助用户调度电力、负载调配和设备升级，有效帮助决策者规划能源结构、制定节能减排计划、加快地区经济发展的步伐[5]，为实现智能制造提供助力。负荷预测最重要的研究内容是如何提高预测的准确性，全球负荷预测准确率提高1%，将会获得1000万欧元的经济效益[6]。

对于地方电视台而言，优质的栏目策划和内容是其获得发展和高收视率的重要保障，而融媒体思维就是节目的制作导向，让节目立足于全新的思维，内容领域不断拓宽，对节目从多层面、多角度进行内容挖掘，实现多途径宣传。部分地方电视台受限于传统节目制作思维和宣发策略，使得很多栏目内容和传播形式比较单一，这在一定程度上限制了地方电视台的发展。

  

图1 摩擦磨损试验摩擦副结构示意

2.2 试验方法

歌词十：她立春/她立秋/她人比黄花瘦/霜白了头/先天下/后天下/黄金屋/颜如玉/百代忧愁/红砖墙/老牌楼/琉璃瓦/已看透/却不开口/沉默中/那情天/那泪海/爱和恨/转眼成空/它立春/它立秋/它荒芜/它重修 海棠依旧/先天下/后天下/黄金屋颜如玉/沽一杯酒/红砖墙/老牌楼/琉璃瓦/写着拆/却不开口

 

式中——试样试验前后的质量差

根据文献［9］中分析结果，密封条承受的载荷为70.13 N，为了提高试验的可靠性，设置试验载荷为 100 N，线速度分别为 2.4，2.9，3.6 和 4.8 m/s，研究在不同线速度下，本研究密封材料摩擦配副的摩擦磨损性能，结果如图2所示。从图2（a）看出，纯PTFE摩擦因数最低，最大值小于0.13；PEEK 最高，超过 0.25；PES和填充 PTFE摩擦因数相当；从图2（b）看出，线转速为2.9 m/s时，PES由于磨损过大迅速失效，试验结束，填充PTFE和纯PTFE摩擦因数维持在0.2左右，PEEK摩擦因数波动加大；从图2（c）看出，线速度为3.6 m/s时，除了PES因磨损迅速失效外，其它3种材料摩擦因数相差不大；从图2（d）看出，当线速度为4.8 m/s时，纯PTFE摩擦因数仍然最低，但PEEK摩擦因数明显减小，填充PTFE摩擦因数变化不大。整体来看，载荷不变时，PES在线速度超过2.4 m/s后，摩擦性能急剧降低，PEEK材料的摩擦因数随着线速度增加而降低，填充PTFE、纯PTFE摩擦因数随着线速度增加变化不大。

摩擦磨损试验在济南益华摩擦学测试技术有限公司生产的MMU-2材料端面高温摩擦磨损试验机上进行。对偶件选用HT250灰铸铁，表面粗糙度Ra值为0.4～0.6μm。将试样在试验前后使用超声波清洗20 min后烘干，使用BSA224S-CW电子天平测量试样试验前后质量变化值，由下式计算体积磨损率K。

ρ——密度

l ——摩擦距离

将每组试样重复3次，取其平均值。磨损后的试样用JSM-5600LV型扫描电子显微镜观察摩擦表面，分析微观形貌、磨损磨屑、摩擦表面温度升高后摩擦副表面的生成物［10，11］。

3 试验结果与讨论

3.1 线速度对摩擦学性能的影响

P ——载荷

36例患者影像测量结果见表3。术后侧凸Cobb角较术前明显降低，差异具有统计学意义（P＜0.05）；前凸角度、椎间孔高度、椎间隙高度、椎间孔面积、椎管面积较术前明显升高，差异具有统计学意义（P＜0.05）。典型病例影像资料见图2。

  

图2 不同线速度下4种材料摩擦因数随时间的变化曲线

图3为各种材料体积磨损率对比。由图可知，PES和纯PTFE体积磨损率明显较大，并且随着线速度增大而增大，PEEK和填充PTFE的体积磨损率相当，都小于 8×10-7 mm3/（N·m）。所以结合密封条的特点，PES和纯PTFE不适合用来作为齿顶密封条材料，由于磨损大会产生较多的磨屑，磨屑掉入涡旋压缩腔，影响气体压缩，并会产生一定的污染。而PEEK和填充PTFE磨损率极小，满足摩擦因数低、磨损率高的要求，但是以上试验仅对变速度下摩擦情况进行了分析，由于涡旋压缩机齿顶所受载荷具有随机性，不可避免会出现载荷突变，导致密封条上的载荷不断发生变化，所以改变载荷大小，进一步通过试验研究PEEK和填充PTFE摩擦磨损性能是非常有必要的。

  

图3 不同线速度下4种材料体积磨损率变化曲线

在原有试验基础上，将载荷设置为200 N载荷，线速度设为2.4 m/s，继续进行试验，然而PEEK在试验进行仅5 min时，就由于磨损严重而失效，试验停止，这说明PEEK所能承受的载荷十分有限；而填充PTFE试验正常，并且摩擦因数波动不大，可见其承载能力优于PEEK，为了研究填充PTFE是否能够适应各种类型的涡旋压缩机工况，继续进行试验，分析不同载荷情况下其摩擦磨损性能的变化。

3.2 载荷对填充PTFE摩擦学性能的影响

在干摩擦状态下，测试了4种摩擦配副在7.2 m/s线速度时不同载荷下的摩擦磨损性能（100，200，250，300和 350N），其结果如图4所示。

  

图4 载荷对填充PTFE摩擦学性能的影响

由图可知，当载荷小于300N 时，平均摩擦因数均小于 0.2，磨损率小于 5×10-6 mm3/（N·m），摩擦性能最佳；当载荷增至350 N时，摩擦因数略有增大，但是磨损率加剧，由5×10-6增至45×10-6 mm3/（N·m）。说明填充 PTFE 在线速度一定，载荷300 N为极限值，超过极限值后，材料由于磨损大而快速失效。载荷小于300 N时，材料摩擦因数低、磨损率小，能够满足涡旋压缩机齿顶密封条的工况要求。

3.3 温度对摩擦因数的影响

参考文献［9］可知，涡旋盘工作温度可达到110 ℃，为了验证填充PTFE在此温度下是否可以正常工作，将填充PTFE与HT250配副，在载荷为100 N、线速度为7.2 m/s条件下进行干摩擦试验，结果如图5所示。由图5可以看出，摩擦因数在整个过程中变化平稳，温度是随着摩擦时间逐渐上升，当温度超过110 ℃后，摩擦因数仍然保持平稳，说明填充PTFE在高温下仍然能够正常工作。PTFE在低温下具有优良的摩擦学性能，聚酰亚胺可承受400 ℃的高温，因此用聚酰亚胺来改性PTFE可提高其使用温度。

  

图5 100 N、7.2 m/s条件下，温度与摩擦因数的变化曲线

3.4 磨损表面形貌分析

在电子显微镜下观察填充PTFE和HT250的摩擦表面，分析表面磨痕的形成机理、磨屑形貌和摩擦生热引起磨屑氧化的生成物。图6为200 N、4.8 m/s时，摩擦副表面形貌。

  

图6 填充的PTFE材料在200 N、4.8m /s时，摩擦副表面形貌

从图6（a）可以看出，填充PTFE材料表面有明显的撕裂现象，并且很清楚看到非金属磨削停留在磨损表面。从图6（b）可以看出，金属表面有划痕，证明有磨粒磨损行为产生，同时在金属表面存在一层非金属转移膜，由于该转移膜的存在，降低了摩擦系数，减小了磨损。该转移膜是非金属材料摩擦后，产生磨削停留在摩擦副表面而形成。转移膜分布越均匀，自润滑作用越明显。

图7为350 N、2.4 m/s时，摩擦副表面形貌。由图7（a）可以看出，填充PTFE表面有非金属块状物，并由明显孔隙。由图7（b）可以看出，在金属表面有非金属熔融后的产物。分析摩擦副表面情况，首先，在载荷增加时，磨粒磨损更加严重，产生磨削较多；其次，利用温度传感器测量摩擦副表面温度，大载荷下，摩擦副表面温度迅速升高，经测量表面温度接近200℃，得到了非金属熔化温度，所以，产生的非金属磨削被烧焦，在摩擦副表面形成黑色块状物，由于熔融后产生黑色硬质颗粒，停留在摩擦副表面会加剧磨损，正如图4所示，体积磨损率急剧增大。摩擦材料迅速失效，导致试验提前结束。

  

图7 填充的PTFE材料在350 N、2.4 m/s时，摩擦副表面形貌

4 结论

（1）通过在低载荷下，设置不同线速度进行试验，发现线速度对PES、PEEK、纯PTFE以及填充PTFE材料的摩擦因数和磨损率的影响较为显著。在线速度增加至2.9 m/s时，PES、纯PTFE因磨损大而导致试验提前结束。

（2）在不同载荷、不同线速度下，对填充PTFE材料的摩擦学性能及在摩擦生热条件下的稳定性进行了分析，结果表明，当涡旋压缩机压缩腔压差力小于300 N时，使用填充PTFE材料制作齿顶密封条，能够满足摩擦因数低、磨损率小、耐高温等要求。

参考文献

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［2］SHANGGUAN Q Q，CHENG X H. Friction and wear of rare earths modified carbon fibers filled PTFE composite under dry sliding condition［J］.Applied Surface Science，2007，253（22）：9000-9006.

［3］Zeynep Parlar，Shahrad Samankan，Vedat Temiz.The effect of counter-face roughness on the tribological behavior of filled and unfilled PTFE［J］.Journal of Mechanics Engineering and Automation，2015（5）：609-615.

［4］杨东亚，祁渊，王宏刚，等.PEEK与SiO2填充PTFE复合材料的摩擦磨损性能研究［J］.功能材料，2015（10）：1047-1051.

［5］吾良福，徐洪，朱兴炜，等.填充改性聚四氟乙烯及其应用［J］.化工生产与技术，2013，20（6）：20-23.

［6］胡亚非，王启立，刘颀，等.石墨密封材料润滑膜形成规律及摩擦磨损研究［J］.中国矿业大学学报，2010，39（2）：223-226.

［7］赵普，刘近朱，王齐华，等.聚苯脂、聚酰亚胺填充聚四氟乙烯复合材料的摩擦学性能研究［J］.材料科学与工程学报，2003，21（6）：851-854.

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［9］吴开波，李海生，陈英华，等.涡旋压缩机齿端面密封条的力载荷分布规律的研究［J］.流体机械，2014，42（11）：38-42.

［10］王云鹏，孙琨，杨思泽，等.18Ni（300）钢高速干滑动摩擦磨损特性研究［J］.摩擦学报，2017，37（2）：218-224.

［11］金石磊，李小慧，单旸.碳纤维增强PTFE复合材料与不同铝合金配副的摩擦磨损性能［J］.机械工程材料，2017，41（3）：58-62.