橡膠密封圈密封性能預(yù)判方法研究

許治國(guó)，周安偉，王曉英，劉 婷，楊菊輝

（中國(guó)工程物理研究院 化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999）

橡膠密封圈為擠壓型密封件，靠外力裝配壓緊，當(dāng)其裝入密封槽后，截面承受接觸壓縮應(yīng)力而產(chǎn)生彈性變形，對(duì)接觸面產(chǎn)生一定的初始接觸壓力，利用密封面上的比壓使介質(zhì)通過(guò)密封面的阻力大于密封面兩側(cè)的介質(zhì)壓力差，從而實(shí)現(xiàn)密封。常用輔助密封圈的形狀有O形、V形、矩形、X形和L形。工業(yè)上使用最多的是O形圈。

橡膠密封圈在使用過(guò)程中受裝配壓力、流體壓力、拉伸和摩擦力共同作用，其性能只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷或進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，無(wú)法得知實(shí)際受力情況，也無(wú)法預(yù)判密封性能。

橡膠密封圈的壓縮、拉伸和磨耗性能是決定其密封性能的關(guān)鍵因素。其中拉伸和磨耗性能測(cè)試可以參考相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中橡膠試樣壓縮性能測(cè)試是開(kāi)放空間、單向壓縮測(cè)試，與橡膠密封圈的受力情況有較大差異，難以測(cè)試橡膠密封圈壓縮性能，因此不能準(zhǔn)確判斷橡膠密封圈的密封性能。

本文介紹一種橡膠密封圈密封性能的預(yù)判方法，通過(guò)測(cè)定橡膠密封圈在使用過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變的變化關(guān)系，判定其密封性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

將橡膠、炭黑、硫黃及硫化助劑在開(kāi)煉機(jī)上混煉均勻，分別將環(huán)形膠料和圓柱狀膠料放入成型模具中，加壓硫化成型，即得橡膠密封圈和橡膠壓縮性能測(cè)試樣品。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

橡膠試樣壓縮性能測(cè)試裝置和橡膠密封圈壓縮性能測(cè)試裝置，中國(guó)工程物理研究院自制；INSTRON 5582材料試驗(yàn)機(jī)，英斯特朗（上海）試驗(yàn)設(shè)備貿(mào)易有限公司產(chǎn)品。

2 測(cè)試原理

橡膠密封圈在使用過(guò)程中，一般處于軸向、徑向受壓環(huán)境，其受力模型如圖1所示。

圖1 橡膠密封圈幾何模型

橡膠密封圈的加載壓力是決定密封性能的關(guān)鍵因素。

橡膠材料的壓縮應(yīng)力應(yīng)變性能測(cè)試可以參照GB/T 7757—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》，采用Ф29.0 mm 12.5 mm的橡膠圓柱體在材料試驗(yàn)機(jī)上，以10 mm min-1速度加載至壓縮率為25%，得到軸向加載的壓縮力（F）與軸向壓縮變形（ε）的關(guān)系曲線。橡膠圓柱體壓縮應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D2所示。

圖2 橡膠圓柱體壓縮應(yīng)力應(yīng)變示意

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于橡膠試樣壓縮性能測(cè)試方法，只能測(cè)得軸向壓力與軸向變形的關(guān)系，無(wú)法測(cè)量徑向壓力與徑向變形的關(guān)系，因此不能建立橡膠試樣各方向力和變形間的關(guān)系。

對(duì)于約束空間的橡膠圓柱體及橡膠密封圈的壓縮應(yīng)力應(yīng)變性能，沒(méi)有相應(yīng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)可供執(zhí)行和參考。為此，設(shè)計(jì)了一種如圖3所示的橡膠試樣壓縮性能測(cè)試裝置。該裝置設(shè)計(jì)加工了系列約束套筒（Ф31.0～34.0 mm），在套筒側(cè)面設(shè)計(jì)滑塊與測(cè)力傳感器相連，將橡膠試樣壓縮性能測(cè)試裝置連接至材料試驗(yàn)機(jī)上，參照GB/T 7757—2009進(jìn)行測(cè)試。使用該裝置可以測(cè)試橡膠密封圈的軸向壓力、徑向壓力、軸向壓縮應(yīng)變間的關(guān)系。由于約束壓縮裝配剩余空間很小，因此試驗(yàn)加載速度可降低至1 mm min-1。

圖3 橡膠試樣壓縮性能測(cè)試裝置

橡膠密封圈壓縮性能測(cè)試方法為：將橡膠密封圈放入壓縮性能測(cè)試裝置中，位于側(cè)面的滑塊與測(cè)力傳感器相連，將橡膠密封圈壓縮性能測(cè)試裝置連接至材料試驗(yàn)機(jī)上，試驗(yàn)加載速度為1 mm min-1。橡膠密封圈壓縮性能測(cè)試裝置如圖4所示。

圖4 橡膠密封圈壓縮性能測(cè)試裝置

圖3和4所示的壓縮性能測(cè)試裝置均采用圖形化編程LabVIEW語(yǔ)言編制專用測(cè)試軟件，各項(xiàng)壓力傳感器和位移傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)均通過(guò)數(shù)據(jù)器采集，所有數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)繪圖、疊加并顯示在電腦屏幕上。

3 結(jié)果與討論

3.1 橡膠試樣壓縮性能測(cè)試

橡膠試樣在按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮性能測(cè)試（開(kāi)放空間）時(shí)，試樣會(huì)逐步向周邊膨脹成腰鼓形。通過(guò)位移傳感器可以實(shí)時(shí)測(cè)定橡膠試樣的徑向膨脹量與軸向加載量的關(guān)系曲線：橡膠試樣的徑向膨脹量與軸向加載量呈線性相關(guān)。

當(dāng)使用不同直徑的約束套筒對(duì)橡膠試樣進(jìn)行壓縮性能測(cè)試時(shí)，材料試驗(yàn)機(jī)加載的軸向壓力與軸向位移的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 約束壓縮測(cè)試中橡膠圓柱體軸向壓力與軸向位移的關(guān)系

從圖5可以看出：使用約束套筒對(duì)橡膠試樣進(jìn)行壓縮性能測(cè)試時(shí)，試樣會(huì)先徑向膨脹成腰鼓形；當(dāng)試樣膨脹接觸到套筒后將無(wú)法繼續(xù)膨脹，繼續(xù)加載直至試樣填滿剩余空間；當(dāng)試樣壓實(shí)后，徑向無(wú)法膨脹，橡膠作為一種體積不可壓縮的彈性體，軸向壓力將迅速上升。

橡膠試樣軸向壓力、徑向壓力與軸向位移的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 約束壓縮橡膠試樣軸向壓力、徑向壓力與軸向位移的關(guān)系曲線

從圖6可以看出，壓縮加載時(shí)橡膠試樣發(fā)生徑向膨脹，約束套筒直徑越小，在進(jìn)行小壓縮量壓縮時(shí)試樣越易接觸套筒滑塊，測(cè)力傳感器越快測(cè)得徑向壓力。使用Ф31 mm約束套筒，當(dāng)材料試驗(yàn)機(jī)壓縮加載0.85 mm時(shí)，徑向壓力出現(xiàn)；使用Ф34 mm約束套筒，材料試驗(yàn)機(jī)則需壓縮加載至2.78 mm，才測(cè)得徑向壓力。

通過(guò)對(duì)比不同配方工藝的橡膠試樣在壓縮性能測(cè)試過(guò)程中軸向壓力與徑向壓力的關(guān)系曲線，可以初步判斷橡膠材料是否適合制備橡膠密封圈。橡膠試樣在相同軸向壓力作用下，徑向壓力越大，橡膠材料的密封性能越好。

3.2 橡膠密封圈壓縮性能測(cè)試

使用橡膠密封圈壓縮性能測(cè)試裝置對(duì)橡膠密封圈的軸向壓力、徑向壓力與軸向位移進(jìn)行測(cè)試，關(guān)系曲線如圖7和8所示。由圖7和8可知，軸向壓力、徑向壓力隨壓縮軸向位移的增加而逐步增大。

將圖7和8建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以得到在相同軸向位移時(shí)軸向壓力與徑向壓力的關(guān)系曲線，如圖9所示。

圖7 橡膠密封圈壓縮性能測(cè)試中軸向壓力與軸向位移的關(guān)系曲線

圖8 橡膠密封圈壓縮性能測(cè)試中徑向壓力與軸向位移的關(guān)系曲線

圖9 橡膠密封圈壓縮性能測(cè)試中軸向壓力與徑向壓力關(guān)系曲線

橡膠密封圈常用于支承、密封等使用環(huán)境，裝配后剩余空間很小，甚至為過(guò)盈配合。一旦受到某個(gè)方向的力產(chǎn)生壓縮變形，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生垂直方向的應(yīng)力。

從圖9可以看出，橡膠密封圈的徑向壓力隨軸向壓力增加而逐步增大，應(yīng)力曲線呈非線性。應(yīng)力曲線與橡膠密封圈的截面形狀、橡膠材料性能密切相關(guān)。

通過(guò)對(duì)比不同配方工藝及截面形狀的橡膠密封圈在壓縮性能測(cè)試過(guò)程中軸向壓力與徑向壓力的關(guān)系曲線，可以對(duì)橡膠密封圈的密封性能進(jìn)行初步判斷。橡膠密封圈在相同軸向壓力作用下，徑向壓力越大，密封性能越好。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)設(shè)計(jì)加工測(cè)試工裝，安裝壓力傳感器和位移傳感器，可以測(cè)得橡膠試樣及橡膠密封圈在使用過(guò)程中應(yīng)力-應(yīng)變的實(shí)時(shí)變化關(guān)系。測(cè)試精度及測(cè)試結(jié)果重復(fù)性較好，解決了橡膠密封圈壓縮性能無(wú)法考核的問(wèn)題。

橡膠試樣及橡膠密封圈在約束壓縮性能測(cè)試過(guò)程中，軸向壓力相同時(shí)，徑向壓力越大，橡膠材料的密封性能越好。

使用本測(cè)試方法，可以對(duì)不同配方橡膠材料及不同截面形狀橡膠密封圈的密封性能進(jìn)行初步預(yù)判，同時(shí)為各類(lèi)橡膠密封圈的研制生產(chǎn)提供試驗(yàn)依據(jù)，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。