密封材料剪切性能的探討

吳昌義

摘 要：針對密封圈受到液壓力作用后被剪切而導(dǎo)致液壓缸內(nèi)泄漏現(xiàn)象，文章設(shè)計了一種測試密封材料抗剪強(qiáng)度的試驗工具，并對不同硬度、型號的橡膠材料的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測試，找出了密封材料抗剪強(qiáng)度與硬度的對應(yīng)關(guān)系，為液壓缸密封配合間隙設(shè)計與密封材料選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：密封；抗剪強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度

引言

密封件是液壓缸的重要組成部分，密封件的性能與合理使用直接影響到液壓缸密封效果的好壞。有資料顯示，工程機(jī)械故障中，有30-40%的故障是由于液壓缸密封件失效造成的。在液壓缸生產(chǎn)過程中，影響密封性能好壞與使用壽命的因素是多方面的，包括密封材料選擇與質(zhì)量，密封件結(jié)構(gòu)，活塞桿與導(dǎo)向套、活塞與缸筒之間的間隙，清潔度質(zhì)量，加工精度等等。對密封系統(tǒng)中密封間隙大小的確定、密封材料的選擇尤為重要，選擇什么樣的密封材料以及多大的間隙直接影響油缸的密封件性能即液壓缸的壽命以及可靠性。在油缸運行過程中，密封件會承受液壓剪切力。如圖1所示，O形圈裝入密封槽內(nèi)，其截面除了承受上下兩承載面的接觸壓應(yīng)力外，還受到左端液壓力P的作用，O形圈發(fā)生圖示的不規(guī)則變形來填充密封槽右端間隙和密封間隙，起到密封作用。液壓力向右擠壓密封件的同時，會使得密封槽產(chǎn)生一向左的反作用應(yīng)力τ剪切密封圈。如果該剪切力超過密封材料的承剪能力，密封圈將被剪切破壞而失效，油缸會發(fā)生泄漏。因此，在使用壓力一定情況下，要保證油缸密封件的壽命及可靠性，須選擇合適抗剪強(qiáng)度的密封材料，最重要的是設(shè)計合適的密封間隙δ，使得密封件在長久運行過程中不受剪切破壞。

圖1 壓力作用下O形圈在間隙部分受到剪切應(yīng)力

1 密封件抗剪強(qiáng)度的測定試驗工裝

密封件的抗剪強(qiáng)度作為一項重要的力學(xué)指標(biāo)，是油缸設(shè)計中密封間隙和密封材料選擇的重要依據(jù)，有必要對密封件材料的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測定。然而國內(nèi)研究及企業(yè)實際生產(chǎn)中，對密封件的選用僅僅限于硬度、拉伸強(qiáng)度、壓縮變形、耐化學(xué)侵蝕等，但關(guān)于密封材料的抗剪強(qiáng)度的研究報道較少。密封材料的抗剪強(qiáng)度試驗相比拉伸、抗壓縮強(qiáng)度試驗影響因素較多，試樣形狀的不同、試驗工裝與方法的選取不同，測出來的結(jié)果相差懸殊。文章依據(jù)國標(biāo)GBT 1700-2001規(guī)定的硬質(zhì)橡膠剪切強(qiáng)度的測定方法，設(shè)計了一種測試密封材料抗剪強(qiáng)度的試驗工裝，用來測定O形圈和其他矩形形狀密封圈的抗剪強(qiáng)度。本試驗工裝能夠?qū)ο嗤螤畹拿芊馊羟袕?qiáng)度進(jìn)行對比測試，但可能與其他實驗方法得到相同的測試結(jié)果。

圖2為密封件抗剪強(qiáng)度試驗工裝的實物圖。該工裝模具由凸模和凹模組成。凹模是由兩塊剪切塊中間一夾塊組成，通過螺栓對這三塊板進(jìn)行限位和固定。凹模的凹槽寬度由中間夾板厚度控制，剪切塊與夾塊之間可以墊紙片，使得凹槽能夠與凸模以最小的間隙配合。凸模中間開一矩形槽用來密封圈限位，當(dāng)測試圓柱形截面試樣時，該槽也可以設(shè)計成V形。凹模和凸模剪切接觸面都進(jìn)行精密加工，保證最小的接觸間隙和摩擦力，并且剪切角邊為銳角。試驗過程在電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行。將上述模具放在試驗機(jī)的壓縮試驗臺架上，按動壓縮試驗，凸模能自動對正并剪切密封材料得到剪切力。

2 密封材料的抗剪強(qiáng)度實驗結(jié)果

為了較好的評估密封材料的抗剪強(qiáng)度實驗結(jié)果，參考橡膠材料的性能測試相關(guān)實驗標(biāo)準(zhǔn)，對測試的樣品切取至少5個試樣進(jìn)行實驗，實驗結(jié)果值取中值。表1為兩種不同硬度（邵氏A70和邵氏A90）的氟橡膠、丁氰橡膠O形圈的抗剪強(qiáng)度測試結(jié)果。可以看出，相同硬度下，丁氰橡膠的抗剪強(qiáng)度略低于氟橡膠的抗剪強(qiáng)度。對同一種橡膠材料，硬度越大，抗剪強(qiáng)度越大，丁氰橡膠硬度由邵氏70A升高到邵氏90A，其抗剪強(qiáng)度差不多提高了2.8倍。

表1 不同密封材料的抗剪強(qiáng)度對比

表2列出了丁氰橡膠和氟橡膠硬度-抗拉強(qiáng)度-抗剪強(qiáng)度的幾組檢測數(shù)據(jù)。可以看出，抗剪強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度沒有明顯的對應(yīng)變化規(guī)律，但與硬度有一定對應(yīng)的變化規(guī)律。可見，對于橡膠材料，抗拉強(qiáng)度表示橡膠的耐扯斷能力，與橡膠材料的塑性和內(nèi)部材料屬性有關(guān)系。抗剪強(qiáng)度表示橡膠耐剪切破壞的能力，與橡膠的硬度是相關(guān)的。是若以H表示橡膠的硬度，τ表示橡膠的抗剪強(qiáng)度。則可得到丁氰橡膠的抗剪強(qiáng)度與硬度對應(yīng)關(guān)系為：

τ=0.5*H-28，氟橡膠的抗剪強(qiáng)度與硬度的對應(yīng)關(guān)系為：τ=0.98*H-63。通過以上經(jīng)驗公式就可以通過計算出丁氰橡膠和氟橡膠的某一硬度下的抗剪強(qiáng)度。得到了抗剪強(qiáng)度數(shù)值，可以為油缸密封間隙的設(shè)計、以及額定工作壓力評估提供參考。

表2 不同密封材料的抗剪強(qiáng)度對比

3 結(jié)束語

通過對O形圈使用過程中剪切現(xiàn)象的分析，得到了由硬度獲得抗剪強(qiáng)度的經(jīng)驗公式。測得了硬度為邵氏A70的丁氰橡膠抗剪強(qiáng)度在7MPa左右，邵氏A90的丁氰橡膠硬度為17左右；硬度為邵氏A70的氟橡膠橡膠抗剪強(qiáng)度在5.5MPa左右，邵氏A90的氟橡膠硬度為18.5左右。以上結(jié)果能為液壓缸生產(chǎn)中密封配合間隙設(shè)計與密封材料選擇提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]鄒建華，吳蓉.分析液壓缸活塞桿密封失效原因及防止措施[J].液壓氣動與密封，2007（5）：46-47.

[2]GB/T 1700-2001硬質(zhì)橡膠剪切強(qiáng)度的測定[J].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002，2.

[3]王偉，趙樹高.結(jié)構(gòu)參數(shù)對橡膠O形密封圈性能的影響[J].潤滑與密封，2010（1）：71-74.