液冷泵作为系统冷却循环中的核心动力元件，其运行可靠性直接影响整个装备系统的安全与稳定。石墨静环作为液冷泵机械密封系统的关键部件，其耐磨性和密封性能是决定泵体使用寿命的重要因素。本研究针对某型液冷泵在试验分解检查中发现的石墨静环异常磨损故障，采用理论分析、仿真计算与实物验证相结合的方法，系统探究了故障产生的根本原因。通过对石墨静环结构组成、配合尺寸及摩擦副受力情况的全面分析，确定了轴向力过大、密封端面宽度设计不合理及叶轮动平衡精度不足是导致石墨静环异常磨损的主要因素。依据油膜疏密程度判定准则，对故障泵的密封端面润滑状态进行了定量计算，揭示了摩擦副间无法形成连续致密油膜的力学机理。在此基础上，提出了减小轴向力、增加润滑槽、提升动平衡精度的综合改进措施，并通过300小时寿命试验验证了改进方案的有效性。研究成果为同类浮动叶轮液冷泵的设计优化和故障分析提供了重要参考。
一、液冷泵发展现状分析
1.1 研究背景与意义
当前，工业自动化进程正以前所未有的速度推进，极大地提升了生产效率和产品质量，推动了各产业的升级与发展。与此同时，绿色能源行业异军突起，作为应对全球能源危机和环境挑战的关键领域，受到了广泛关注。在这两个快速发展的行业中，泵类设备扮演着至关重要的角色，其广泛应用于各种复杂的工艺流程和系统中，以确保流体的稳定输送和循环。
泵类设备的稳定运行离不开各类高质量的配件，其中泵用石墨轴承类零部件凭借其独特的性能优势，如良好的自润滑性、耐高温性及化学稳定性等，成为泵类系统中的关键部件。随着工业自动化和绿色能源行业的蓬勃发展，对泵类设备的性能要求越来越高，这也直接导致了对高效、高精度、耐腐蚀的泵用石墨轴承类零部件的需求持续攀升。石墨静环作为泵用密封系统的核心部件之一，其可靠性直接关系到整个泵类设备的运行稳定性和使用寿命。
在航空、航天、舰船及特种装备等领域，液冷泵承担着为关键设备提供循环冷却介质的重任，其工作环境往往具有高温、高压、高转速等特点，对泵内各组件的可靠性和耐久性提出了极为苛刻的要求。石墨静环一旦出现异常磨损，不仅会导致泵的泄漏量增加、工作效率降低，严重时甚至可能引发设备故障，影响整个系统的正常运行。因此，深入探究液冷泵石墨静环异常磨损的故障机理，并提出有效的改进措施，对于提升液冷泵的寿命和可靠性具有重要的工程价值和学术意义。
1.2 国内外研究现状
针对泵用石墨类材料异常磨损故障，国内外学者已开展了一系列研究工作。在机械密封领域，石墨静环作为典型的软质密封材料，其磨损行为受到众多因素的影响。研究表明，动静环材质组合不当会显著影响密封副的耐磨性。例如，当动环为碳石墨材料而静环为致密率不足的铸铁材质时，碳石墨的磨损率会显著升高。冷却方式设计不合理会导致密封面产生过高摩擦热，进而在静环表面引发热应力裂纹，这些裂纹如同切削刃一般加速石墨环的磨损。
在密封端面润滑状态方面，有学者指出，密封端面间液膜若出现汽化，将导致密封面磨损加剧。对于航空发动机等高端装备中的石墨密封环，其常处于高速轻载、频繁启停及低粘度介质的苛刻工况下，易导致油膜周期性破裂并引发磨损。此外，石墨材料本身不耐磨的特性也是造成密封环失效的重要原因之一。
在轴向力对密封性能影响的研究方面，已有工作表明，当泵送介质与大气之间的压力差超过一定限值时，闭合力会过强，从而导致无法形成足够的流体动力润滑膜，密封面开始磨损。针对浮动叶轮液冷泵，轴向力平衡装置是保证泵稳定运行的重要部件，浮动叶轮技术通过集成平衡孔与平衡盘实现轴向力的自动平衡。然而，对于轴向力计算与密封端面油膜形成之间的定量关联，现有研究仍不够系统深入。
在石墨静环异常磨损的具体案例分析方面，近期有研究针对某液冷泵石墨静环异常磨损故障，通过对其结构组成、配合尺寸、摩擦副受力等进行仿真及实物验证分析，探究了故障原因。本研究正是在此基础上，进一步拓展和深化了对液冷泵石墨静环异常磨损故障机理的认识。
1.3 研究内容与方法
本研究围绕某型液冷泵石墨静环异常磨损故障展开系统分析，主要内容包括：（1）对液冷泵的构造及浮动叶轮工作原理进行系统阐述；（2）针对试验后分解检查发现的动环与静环磨损现象进行详细描述与初步判定；（3）通过对磨损面的形貌分析与测试，确定磨损失效形式；（4）从轴向力、密封端面宽度、转子动平衡精度三个维度深入分析故障产生的原因；（5）基于故障分析结果提出针对性改进措施并进行试验验证。研究方法包括理论计算、仿真分析、磨损形貌观测及实物验证试验等。
二、液冷泵构造及工作原理
2.1 液冷泵基本结构
液冷泵是一种将电机与泵体一体化设计的流体输送设备，其典型结构包括叶轮组件、进液口组件、密封系统、传动轴及壳体等主要部分。电机与泵体采用全封闭屏蔽式结构，以不锈钢或钛合金等耐腐蚀材料制造核心部件，实现绝对无泄漏、耐腐蚀、无污染的运行要求。液冷泵广泛应用于航空器、舰船、车辆及其他特种装备的冷却循环系统。
在液冷泵的密封系统中，机械密封是最为关键的组成部分。机械密封由动环（通常随轴旋转）和静环（固定于泵体）组成，二者在弹性构件和密封介质压力的作用下互相贴合并作相对转动。静环多采用润滑性良好的软质材料如石墨、填充聚四氟乙烯等制造，动环则常用硬质合金、陶瓷等材料。石墨静环作为软环，其端面与动环端面紧密贴合，在相对运动中依靠端面间维持的一层极薄液体膜实现密封与润滑的双重功能。
2.2 浮动叶轮工作原理
液体泵正常起动后，由于叶轮的前、后盖板不对称——前盖板在进口处部分无盖板，形成后盖板受力面积较大——在相同液体压力作用下，叶轮组件后盖板处压力高于前盖板处，前后盖板间产生压力差，对叶轮组件产生推向进液口方向的作用力。在该作用力的推动下，叶轮组件与进液口组件接触，使作用力传递至进液口组件的石墨静环上。石墨静环作为止推轴承，抵消一部分轴向力，同时动环与石墨静环之间形成油膜，以保证动静环间摩擦副的润滑及密封。
浮动叶轮技术是现代离心泵中一种先进的轴向力自动平衡技术。它通过将平衡孔与平衡盘集成于一体，实现了轴向力的自动平衡调节。在浮动叶轮液冷泵中，叶轮可沿轴向在一定范围内浮动，在运行过程中根据前后盖板压差的变化自动调整轴向位置，以达到力的平衡状态。然而，这种浮动结构也对密封端面的配合精度和润滑状态提出了更高要求。
三、故障现象与初步判定
3.1 故障发现过程
湖南泰德航空针对某型液冷泵在完成规定时长的性能试验后，对产品进行分解检查。检查发现，叶轮组件的动环与进液口组件的静环存在明显的磨损迹象。为进一步验证故障现象并评估产品的可靠性，在原试件上继续开展了10小时的验证运行。验证结束后再次分解检查，发现叶轮组件与石墨静环上均出现了更为显著的深度磨痕。
3.2 磨损形貌特征
通过对磨损面进行了系统的测量与分析，结果显示，石墨静环表面出现明显的沟槽，且石墨层内存在掉块现象。通过对异常磨损形貌与冲击掉块形貌的综合分析可知，石墨轴承圆周方向存在带状磨痕。这些带状磨痕的形成具有明显的方向性和规律性，表明磨损过程中存在持续的磨粒作用。
3.3 故障初步判定
基于上述磨损形貌特征，初步判定该液冷泵的故障主要为动环与静环的异常磨损，且伴随着载荷冲击造成的掉块现象。对石墨轴承圆周方向的带状磨痕进行深入分析后判定，石墨轴承的磨损失效形式为磨粒磨损。
磨粒磨损的形成机理如下：密封带失效后，较小的硬质颗粒进入轴承摩擦副间隙。这些颗粒随着轴的运动在轴与轴承摩擦表面之间滚动，导致轴承表面承受巨大的接触应力，破坏了摩擦副表面的形貌。由于石墨为脆性材料，硬质颗粒与摩擦表面之间形成的较高接触应力致使石墨轴承表面发生形变，进而引发疲劳损伤，经过长时间工作后出现脱落和掉块现象。与此同时，由于轴承间难以形成油膜、缺少有效润滑，磨损进一步加剧。因此，后续分析将摩擦副间难以形成油膜、缺少润滑作为主要诱因进行重点探究。
四、故障原因分析
4.1 油膜形成机理与判定准则
机械密封的正常工作依赖于动环与静环端面之间形成的稳定油膜。叶轮在轴向力的补偿作用下压紧动环，使静摩擦环和动摩擦环之间紧密贴合。在摩擦副之间设有适当间隙，液体渗入间隙后在密封端面形成足够的液膜。当动环转动时，液膜的表面张力和黏滞性共同作用，减少了密封面的磨损，提高了密封端面的可靠性。若动环与静环间的油膜稀疏或分布不均匀，则会导致某些部位出现干磨现象，长时间工作后即会出现异常磨损——即磨粒磨损。
为定量评价密封端面的润滑状态，已有研究提出了油膜疏密程度G的计算方法。其判定准则为：若油膜疏密程度G > 1×10⁻⁶（无量纲），动密封摩擦副处于流体摩擦状态；若G在（0.1～1）×10⁻⁶之间，即为常数关系破坏，动密封摩擦副逐步向边界摩擦状态过渡。在流体黏性系数和密封端面平均线速度不变的情况下，影响油膜疏密程度的主要因素为密封端面宽度和密封端面上的总载荷（即轴向力）。
4.2 轴向力对轴承磨损的影响
将故障液冷泵与同类型A型液体泵的轴向力设计进行对比分析。以冷却液温度60℃为边界条件，经查阅与推导可知，60℃下冷却液黏性系数为0.0015 Pa·s，密封端面平均线速度为52.49 m/s，密封宽度为0.007 m。故障液冷泵密封端面上的载荷经仿真计算为1397 N。
将上述参数代入油膜疏密程度计算公式，得到G = 0.39452×10⁻⁶。该结果处于（0.1～1）×10⁻⁶区间内，表明该液冷泵的动密封摩擦副正逐步向边界摩擦状态过渡，易出现干磨现象，进而造成磨粒磨损。
作为对比，A型液体泵的G值经计算为1.8054×10⁻⁶ > 1×10⁻⁶，其动密封摩擦副处于流体摩擦状态。两种泵的端面宽度基本一致，但故障液冷泵的轴向力（1397 N）明显高于A型液体泵。由于轴向力远大于同类型产品，经计算校核，结果不在常数区间内，导致密封端面无油膜或油膜稀疏，致使动环与静环间润滑不良，出现干磨和磨粒磨损。
从密封端面载荷的角度看，当密封端面上的闭合力过大时，会阻碍流体动力润滑膜的形成。本研究中1397 N的轴向力正是导致油膜无法形成的根本原因之一。叶轮在轴向力的补偿作用下压紧动环，过大的压紧力使得摩擦副间的间隙过小，液体难以渗入并形成连续油膜。
4.3 摩擦副端面宽度对轴承磨损的影响
根据油膜疏密程度的计算方法，机械密封油膜的形成除了与轴向力有关外，还与密封端面的宽度密切相关。针对密封端面宽度设计，将故障液冷泵与其他同类液冷泵的设计尺寸进行对比：
- 故障液冷泵：密封端面实际宽度7.0 mm，密封端面设计宽度17.7 mm，不合理；
- A型液体泵：密封端面实际宽度5.0 mm，密封端面设计宽度4.6 mm，合理；
- B型液体泵：密封端面实际宽度4.5 mm，密封端面设计宽度4.3 mm，合理；
- C型液体泵：密封端面实际宽度5.0 mm，密封端面设计宽度4.5 mm，合理；
- D型液体泵：密封端面实际宽度4.0 mm，密封端面设计宽度4.0 mm，合理。
对比分析表明，其他产品的密封端面宽度均符合设计要求，但故障液冷泵在该轴向力条件下的密封宽度经校核应为17.7 mm。实际宽度7.0 mm与理论计算值17.7 mm之间存在巨大差距，设计尺寸严重偏离理论计算尺寸。
密封端面宽度对油膜形成的影响可从流体动压润滑理论得到解释。端面宽度过小时，在相同载荷下单位面积压力增大，油膜容易被挤出；同时，过窄的端面无法提供足够的流体动压效应区域，不利于油膜压力的建立和维持。因此，密封端面宽度设计不合理是导致摩擦副间无法形成稳定油膜的重要原因之一。
4.4 转子动平衡精度对轴承磨损的影响
液体泵叶轮在高速旋转过程中，因叶轮质量分布不均匀导致叶轮的质点发生偏移，从而产生离心力。离心力的产生促使传动轴发生挠性变形，形成异常颤动。这种异常颤动造成叶轮动环与石墨静环之间的接触状态由正常的面接触受力转变为线接触或点接触受力。局部接触应力剧增，不仅容易对端面造成冲击，还会使石墨静环发生磨粒破碎，产生碎屑。这些碎屑在摩擦副间无法排出，进一步加剧了磨粒磨损。
叶轮的动平衡精度与质量是决定离心力大小的主要因素。为验证动平衡精度等级是否为造成异常磨损的关键因素，研究选取了两种材料（ZL101A和0Cr17Ni4Cu4Nb）及两种动平衡精度等级（G1和G6.3）的叶轮进行对比试验。针对不同材料及动平衡量值的叶轮开展短期寿命试验。
试验结果表明，提高叶轮的动平衡量值等级、降低叶轮重量，可有效减小叶轮离心力，从而减少因局部压力冲击造成的石墨静环破碎和磨粒产生，延长了使用寿命。这表明动平衡精度不足是导致异常磨损的重要因素之一。
4.5 综合分析结论
综合以上分析，液冷泵石墨静环异常磨损的主要原因可归纳为以下三个方面：
第一，轴向力过大。故障液冷泵的轴向力高达1397 N，远超同类型产品。过大的轴向力使密封端面载荷过重，油膜疏密程度G值落入边界摩擦区间（0.39452×10⁻⁶），无法形成连续致密的润滑膜。
第二，密封端面宽度设计不合理。在该轴向力条件下，理论计算所需的密封端面宽度为17.7 mm，而实际设计仅为7.0 mm。端面宽度严重不足，无法为油膜的形成提供足够的空间和动压效应区域。
第三，叶轮动平衡精度不足。低动平衡精度导致叶轮在高速旋转时产生过大的离心力，引发传动轴挠性变形和异常颤动，使摩擦副接触状态恶化，产生冲击载荷和磨粒，加速了石墨静环的磨损。
从设计层面来看，在设计该液冷泵时，仅校核了轴向力对静环承压载荷的影响，而未充分考虑其静环与动环的密封形式。机械密封的原理要求动环与静环间存在适当间隙以形成油膜，该油膜在保证密封的同时对摩擦副起到润滑及密封的双重作用。设计上的疏漏导致轴向力过大、密封端面设计不合理且对叶轮动平衡量未作严格要求，致使摩擦副间的油膜稀薄，同时受到不平衡力的冲击，加速了动环与静环间的磨损。
五、改进措施与试验验证
5.1 改进措施方案
根据动密封油膜形成推导公式及故障模式分析，异常磨损的主要原因为端面载荷过大、端面宽度不足与动平衡精度偏低。针对这三项核心因素，制定了以下综合改进措施。
（1）减小轴向力
轴向力产生的根源在于前后盖板压差无法完全平衡与抵消，后盖板压力大于前盖板压力。改进的核心思路是增加后盖板受力面积，使其受力增加，从而增大与前盖板压力的抵消力，最终减小轴向力。
具体实施措施为：将后密封环直径增大至50 mm，与叶轮进口直径保持一致。按照这一改进方案进行仿真分析，结果显示轴向力由原来的1397 N大幅降低至224 N。这一数值满足推导公式中形成油膜的范围要求。
优化前后的轴向力对比数据如下：
- 优化前：压升1 325kPa，下盖板内缘-5 702.44N，上盖板4 200.17N，转轮内壁面105.246N，合力-1 397.02N。
- 优化后：压升1 294kPa，下盖板内缘-4 621.00N，上盖板4 294.00N，转轮内壁面103.000N，合力-224.00N。
（2）增加润滑槽
通过上述分析验证可知，液冷泵石墨静环出现异常磨损的主要原因为摩擦副间无法形成连续的油膜以保证充分润滑。为此，在石墨静环上增加润滑槽结构，使润滑液能够更充分地渗入摩擦副间隙。润滑槽的设计有利于促进摩擦副之间油膜的形成与维持，从而降低石墨静环的磨损速率。
从摩擦学角度看，表面织构（如润滑槽）能够改善密封端面的润滑状态。已有研究表明，在低载荷条件下，无织构的石墨静环端面容易出现明显磨痕，动静环摩擦副之间处于边界润滑或混合润滑状态，难以形成流体动压润滑。合理的表面织构设计能够有效改善这一状况，促进流体动压效应的建立。
（3）提升动平衡精度
动平衡试验验证表明，提高摩擦副的动平衡精度可有效降低动环与静环间的磨损程度。改进措施要求对叶轮进行严格的动平衡处理，将叶轮动平衡精度按照G1等级进行加工。通过去除材料的方式保证动平衡量值满足G1精度要求。
G1等级的动平衡精度是目前旋转机械中最高的精度等级之一，适用于对振动和平衡有严格要求的高速旋转部件。将动平衡精度从G6.3提升至G1，可显著降低叶轮在高速旋转时产生的离心力和振动，从而减少对密封端面的冲击载荷。
5.2 改进后试验验证
将上述三项改进措施落实到新叶轮的加工制造中：后密封环直径更改为50 mm（与进口直径保持一致）；石墨静环按照增加润滑槽后的设计方案进行加工；叶轮组件动平衡量按照G1等级进行改进。完成新叶轮加工后，重新完成泵体装配并进行性能试验。
验证方案为：每运行10小时对产品进行一次分解检查。截至目前，已完成300小时的连续运行验证。检查结果表明，各摩擦副表面均光滑完整，无异常磨损迹象。这充分证明了三项改进措施的有效性，成功攻克了石墨静环异常磨损的故障，显著提高了产品的可靠性。
六、结论与展望
6.1 研究结论
本研究针对某型液冷泵石墨静环异常磨损故障，开展了系统的理论分析、仿真计算与实物验证工作，得出以下主要结论：
（1）故障机理明确。石墨静环异常磨损的失效形式为磨粒磨损，其根本原因在于摩擦副间无法形成连续致密的油膜。硬质颗粒进入摩擦副间隙后，在滚动过程中产生高接触应力，导致脆性石墨材料发生疲劳损伤，最终出现脱落和掉块。
（2）轴向力过大是核心因素。故障液冷泵的轴向力高达1397 N，导致油膜疏密程度G值（0.39452×10⁻⁶）落入边界摩擦区间，密封端面润滑状态恶化。通过将后密封环直径增大至50 mm，轴向力降低至224 N，满足了流体润滑状态的形成条件。
（3）密封端面宽度设计不合理是重要诱因。在该轴向力条件下，理论所需的密封端面宽度为17.7 mm，而实际设计仅为7.0 mm。端面宽度严重不足，无法为油膜的形成提供足够的动压效应区域。
（4）动平衡精度不足加剧了磨损。低动平衡精度导致叶轮产生过大离心力，引发传动轴异常颤动，使摩擦副接触状态由面接触恶化为点/线接触，产生冲击载荷和磨粒。将动平衡精度提升至G1等级后，磨损显著减轻。
（5）综合改进措施有效。通过减小轴向力、增加润滑槽、提升动平衡精度的综合改进，完成了300小时连续运行验证，各摩擦副表面光滑完整，无异常磨损，产品可靠性得到显著提升。
6.2 研究价值与工程意义
本研究的成果为后续液冷泵石墨静环的设计和选型工作提供了重要参考。在设计环节，相关人员可根据分析结果对石墨静环的材质进行优化，选择更耐磨、耐腐蚀的材料，同时合理调整静环的结构尺寸，以提高其与液冷泵其他部件的适配性，避免因选材不当引发的故障。
通过对液冷泵石墨静环异常磨损故障的深入分析和改进措施的实施，大大提高了液冷泵的可靠性。这不仅降低了液冷泵在运行过程中的故障发生率，减少了维修成本和停机时间，更为整个设备系统的稳定运行提供了坚实的基础，进而提高了整个系统工作的效率和安全性。
6.3 未来展望
随着航空、航天、舰船及新能源等领域对液冷泵性能要求的不断提高，石墨静环作为关键密封部件面临的工况将更加严苛。未来在以下方面仍有待深入研究：
第一，石墨材料性能的进一步优化。通过材料改性、复合增强等手段，提高石墨材料的抗磨损性能和抗冲击性能，延长其在极端工况下的使用寿命。
第二，智能化监测与故障预警。开发基于振动、温度、泄漏量等运行参数的在线监测系统，实现对石墨静环磨损状态的实时评估和故障早期预警。
第三，多物理场耦合仿真技术的应用。建立流-固-热多物理场耦合的密封端面润滑模型，更精确地预测不同工况下油膜的形成与演变规律，为密封端面的优化设计提供理论指导。
第四，新型密封结构的探索。在传统机械密封基础上，探索表面织构优化、仿生密封面设计等新型密封技术，进一步提升密封系统的可靠性和使用寿命。
本研究为同类浮动叶轮液冷泵的设计和异常磨损故障分析提供了系统的分析方法和改进思路。随着相关技术的不断进步和研究的持续深入，液冷泵的可靠性和使用寿命将得到进一步提升，为高端装备的发展提供更加坚实的支撑。
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