潤滑劑與密封材料相容性對氣缸性能影響研究

聶佳，滕燕

(南京理工大學 機械工程學院, 江蘇 南京 210094)

0 引言

相容性是指潤滑劑與其他各種材料(如橡膠、塑料、金屬等)接觸時起相互作用的程度，是評判潤滑劑與橡膠密封材料相互配合以達到有效的潤滑與密封的重要指標之一。當兩者相容性較差時，密封材料會在工作過程中發生溶脹或收縮等現象，使之體積、強度、硬度以及延伸率的變化，造成系統的泄漏、空氣混入以及密封材料的加速老化與失效。

目前進行相容性研究的主要方法是相容性浸泡試驗，國外的氣動行業在這方面的研究開展較早，并且已經有了一系列的相關標準。文獻[1] 介紹了ATF潤滑油與橡膠材料相容性的評價方法與標準，分別是ASTMD471方法、GM6297M/6417M方法、GMN10055/N10060方法以及ASTMD2000方法。文獻[2] 對不同牌號的丁腈橡膠與各類液壓油的相容性進行了研究。文獻[3] 按照德國的氣動行業對于潤滑劑與橡膠密封材料相容性的評判標準(DIN53504標準)，進行了潤滑劑與密封彈性材料兼容性的研究。文獻[4] 根據標準CEC-L-39-96研究了基礎油種類、黏度改進劑、分散劑清凈劑及抗氧化劑等成分對潤滑劑與氟橡膠、丙烯酸酯橡膠、硅橡膠以及丁腈橡膠四類橡膠材料的相容性的影響。文獻[5] 對于丙烯腈含量不同的丁腈橡膠與苯胺點不同的潤滑油進行了相容性試驗，分別在試驗裝置敞開與密閉、溶劑與橡膠體積比等參數不同的條件下進行了多次重復測試，測試時間為1 008h。

但現有的研究并未將橡膠材料受潤滑劑相容性的影響與氣缸工作性能的變化聯系起來，對氣缸的潤滑優化幫助較小。因此，本文從相容性出發，對O型圈與潤滑劑的相容性對于氣缸工作性能的影響進行了試驗研究，為日后氣缸中的潤滑優化提供指導。

1 相容性試驗研究

1.1 試驗設備及材料

試驗所使用的設備為：AGS-X10KN拉伸機進行相容性試驗有兩個目的：一是將標準橡膠試樣與潤滑劑進行靜態浸泡試驗，以測試橡膠試樣硬度、體積及拉伸性能等特性的變化，得到在不同環境下，不同潤滑劑對橡膠密封材料性能的影響規律；二是提供經潤滑油浸泡過的O型圈，以分析O型圈不同特性的變化對氣缸工作性能的影響。本次相容性試驗的橡膠材料有兩種類型，分別為標準啞鈴狀橡膠試樣及O型橡膠圈。由于試驗氣缸中所使用的O型圈材料均為丁腈橡膠，因此相容性試驗中的橡膠材料也選用丁腈橡膠。根據相容性試驗標準以及可靠性試驗標準，每組試驗的橡膠試樣包括3個標準啞鈴狀試樣以及5個O型圈。

按照相似相溶原理，丁腈橡膠分子為極性分子，需要選取非極性潤滑油進行試驗。在實際應用中，非極性的礦物油在氣動系統中的使用較為廣泛，所以選擇礦物油作為試驗所用的潤滑劑。按照硫含量、飽和烴含量及黏度指數等指標，可以將礦物基礎油分為5類，在本次試驗中，選取Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅳ類潤滑油，牌號分別為HVI400、HVIWH200以及PAO166。

1.2 試驗過程

試驗按照國家標準GB/T1690-2010進行試驗。每組試驗前在標準橡膠板上沿垂直紋理方向用啞鈴切刀切8個試樣，分為5個參比樣，3個試樣。用排水法測量試驗片在浸泡前的體積(V0)，取3個試驗片的平均值。擦干試片后，測量試驗片浸泡前的硬度(H0)，取3個試驗片的平均值。

試驗溫度分別為室溫20 ℃、40 ℃以及55 ℃。在每種溫度條件下，分別秤取(270±1)g，3種潤滑油加入到3個燒杯中，在每個燒杯上做好記號。用不銹鋼絲將試樣懸掛在支架上，保證試樣完全浸沒在油中，且試樣之間及與杯壁間不接觸，試樣表面無氣泡。試驗時間按照國家標準GB/T1690-2010的要求，選取24h的整倍數168h，在試驗時間達到后將試樣取出，將試樣表面殘留液體完全擦干，在規定時間內完成硬度(Hi)、體積(Vi)以及拉伸性能的測試，并將浸泡之后的O型密封圈放置待用。

拉伸性能的測試根據標準GB/T528進行，橫梁移動速度為(500±50)mm/min，分別測試3個試樣的斷裂拉伸強度的平均值(Ti)和拉斷伸長率的平均值(Ei)，5個參比樣的斷裂拉伸強度平均值(T0)和拉斷伸長率的平均值(E0)。按照下列公式計算硬度變化、體積變化率、斷裂拉伸強度變化率和拉斷伸長率變化率：

硬度變化：ΔH=Hi-H0

斷裂拉伸強度與拉斷伸長率變化：

1.3 相容性試驗結果分析

在各項測量中，未經過相容性試驗的橡膠試樣的硬度測量結果為75.3IRHD，平均體積為1 250cm3，斷裂拉伸強度為22.57MPa，拉斷伸長率為392.7%。相容性試驗后的橡膠試樣的各項參數變化如表1所示。

表1 不同潤滑油對橡膠材料性能的影響

由表1中可以看到，由于試驗中使用了非極性的潤滑劑，3種潤滑油對于各組橡膠試樣的影響均較小。除了拉斷伸長率以外，在室溫情況下，橡膠試樣其他各項性能的變化率均在±5%以下，即使在溫度較高的情況下，各項性能參數的變化率最大也不超過±10%。因此，與極性潤滑油相比，非極性潤滑油在不同溫度下與丁腈橡膠的相容性較好。但是，即使橡膠試樣的性能受到的影響較小，不同類型及成分的潤滑油對于橡膠試樣各項性能的影響是有差異的。圖1分別對比了橡膠試樣體積、硬度以及拉伸性能的變化。

由圖1可知，I類與II類潤滑油對橡膠材料的各類性能參數的影響類似，而II類潤滑油的影響更小。這是由于II類潤滑油通過加氫工藝生產，含有的極性物質更少。

I類與II類潤滑油中的主要成分為飽和烴，在與橡膠材料的浸泡過程中，橡膠試樣吸入潤滑油的量大于橡膠試樣中溶解出的添加劑的量，較小的油分子滲入到橡膠大分子的空隙中間，使得大分子的結構被撐大，大分子鏈之間氫鍵的鍵能減小，最終導致橡膠材料的體積增大、硬度減小，抗拉伸能力減弱。

而對于IV類潤滑劑而言，由于其主要成分為合成油聚α烯烴，其對橡膠材料各類性能參數的影響略有不同。當被浸泡在IV潤滑油中時，丁腈橡膠吸入潤滑油的量小于溶解在潤滑油中的橡膠添加劑的量，內部的網狀結構被壓縮，橡膠試樣內部分子鏈的自由度變小，導致其體積減小、硬度增大、拉斷伸長率減小；而體積增大使得內部的網狀結構被壓縮，增大了網狀鏈結構中的相互作用力，使得其抗拉伸能力有所增強，所以其斷裂拉伸強度增大。

圖1 不同潤滑油對橡膠試樣的體積、硬度、 拉斷伸長率與斷裂拉伸強度的影響

對于不同類型的潤滑油而言，溫度對于橡膠材料與潤滑劑相容性的影響類似，都表現為試驗溫度越高，橡膠材料受到的影響越大[6]。

2 氣缸工作性能的試驗研究

在進行了橡膠試樣與潤滑油相容性浸泡試驗之后，為得到與不同潤滑劑浸泡之后的密封圈在實際工作中的摩擦及密封性能，需要進行氣缸O型圈摩擦及密封性能試驗。試驗內容包括構建氣缸自動試驗系統，將浸泡后的橡膠密封圈裝配入相對應的氣缸中進行往復運行，測量氣缸的摩擦力和泄漏量，將測量數據與未經過相容性試驗的O型圈相對比，分析不同潤滑油對于氣缸O型圈的摩擦及密封性能的影響，為日后氣缸的橡膠密封材料以及潤滑劑的選擇與改善提供參考數據。

2.1 氣缸自動試驗系統的構建

根據標準ISO19973-3:2015，氣缸往復試驗的氣動回路如圖2所示。 試驗氣缸為CQS12-100L型氣缸，缸徑12mm，行程100mm。為了實現24h不間斷運行，試驗中采用PLC控制電磁換向閥進行反復切換，從而控制氣缸實現周期性運動。所用的PLC型號為FX1N-40MR-ES，具有24點輸入與16點繼電器輸出，能夠滿足試驗需求。換向閥為VV5Q11-07C6FS1-DNS，調速閥為AS2211F-01-06S。負載為1kg的質量塊，通過定滑輪連接到氣缸活塞桿末端，以保證負載作用方向與氣缸活塞桿伸出方向相同。試驗系統中有5個氣缸同時運行，對應相容性試驗中每組橡膠試樣中的5個O型圈，并且運行頻率為30 次/min，試驗中的氣源壓力設定為0.63±0.03MPa。為了滿足試驗系統的供氣需求，試驗中使用的壓縮機為RC螺桿式空壓機，型號為DS100-22，其排氣量為2 700L/min，與容積為1 000L的儲氣罐配合使用。

1—氣源；2—過濾器；3—油霧器；4—減壓閥；5—壓力表；6—消音器；7—電磁閥；8—節流閥；9—氣缸；10—負載圖2 氣缸自動試驗系統氣動回路圖

2.2 試驗過程及相關參數測量

進行氣缸試驗的O型圈共有10組，包括9組與潤滑油進行相容性試驗的O型圈與1組對照組。在進行試驗時，將一組5個O型圈裝配入試驗氣缸中，然后使氣缸進行往復運動；在達到運動次數后，對各個氣缸進行摩擦力與密封性的測量，取5個氣缸測量結果的平均值，然后將下一組O型圈裝配入氣缸進行下一輪試驗，以此類推，直至全部10組O型圈都進行過試驗為止。為了充分檢驗氣缸的密封性，并且結合可靠性標準的要求，將氣缸的往復運行次數設置為300 000次，耗時為1周。在10組O型圈均進行過試驗后，對比各組測量數據，以觀察不同O型圈性能參數對氣缸工作性能的影響。

1) 氣缸摩擦力測量方法

氣缸摩擦力采用間測法進行測量，氣動回路如圖3所示。

1、2、3—氣動三聯件；4—減壓閥；5—壓力表；6—消音器；7—電磁閥；8、9—節流閥；10—氣缸；11、12—壓力傳感器；13—激光位移傳感器圖3 摩擦力測量氣動回路圖

氣缸10的動作通過換向閥7來實現，調節速度控制閥8,9改變活塞的速度。壓力傳感器11,12采集氣缸兩腔的壓力變化，氣缸活塞的位移通過位移傳感器13測量，各傳感器的數據通過數據采集卡采集。

氣缸的運動方程如下：

式中：M為氣缸活塞及活塞桿質量和，kg；

Ff為氣缸的摩擦力，N；

A1,A2為進氣、出氣腔的面積，m2；

P1,P2為進氣、出氣腔的壓力，Pa；

P0為標準大氣壓，Pa。

2) 氣缸泄漏量測量方法

為了加快測量速度，設計了一種使用并聯回路的測量方法，將測量過程與充氣過程分開，氣動回路如圖4所示。

1、2、3—氣動三聯件；4—減壓閥；5—壓力表；6、7—節流閥；8—流量計；9、10—球閥；11—氣缸；12—負載圖4 氣缸泄漏量測量氣動回路

測量時，以無桿腔為例，首先關閉節流閥6與球閥9，打開充氣支路的球閥10，打開節流閥7，使氣缸快速充氣直至活塞桿完全伸出，等到壓力表5示數穩定后，關閉節流閥7與球閥10。然后在測量支路內，緩慢調節節流閥6，待流量計8示數為0時，打開球閥9，待流量計示數穩定時，流量計8的讀數即為泄漏量。之后按相同方法測量有桿腔的泄漏量。

綜上所述，寶清縣內水文地質條件差異較大。但根據水文地質條件分析，本區雖然分布三層地下水，但碎屑巖類孔隙裂隙水和基巖裂隙水由于補給條件不足，地下水賦存條件較差，不能滿足節水增糧行動項目對水量的需求，因此不能作為節水增糧行動項目水源。第四系淺層地下水儲存條件較好，單井涌水量豐富，可以滿足節水增糧行動項目對水源的需求。但寶清縣地下水豐富地區位于低平原和河谷干流區段，目前是寶清縣主要的井灌區，開采量較大，也是本次節水增糧行動項目應該避開的地區。地下水較豐富地段、中等地段為目前節水增糧行動項目區，其第四系砂礫石孔隙水一般為弱承壓水，局部地下水具有潛水性質。

2.3 氣缸工作性能測量結果分析

1) 氣缸摩擦力的測量結果

圖5反映了受到不同潤滑油影響的O型圈對氣缸摩擦力的影響。

圖5 氣缸摩擦力折線圖

由圖5中可以看出，浸泡溫度對于摩擦力的影響與泄漏量一致，潤滑劑與密封材料浸泡時的溫度越高，氣缸摩擦力收到的影響越大。安裝有與I類及II類潤滑油浸泡的O型圈的氣缸摩擦力有所增大，II類潤滑油對O型圈的影響比I類更小；而與IV類潤滑油浸泡的O型圈對應的氣缸摩擦力則減小。

2) 氣缸泄漏量的測量結果

氣缸泄漏量的分析將以無桿腔為例，測量結果如圖6所示。

圖6 氣缸無桿腔泄漏量

由折線圖可知，在使用與潤滑劑浸泡后的O型圈之后，氣缸的泄漏量都不同程度地受到了影響。對于各類O型圈來說，在潤滑劑中浸泡時的溫度越高，其對氣缸泄漏量的影響越大。對于在I類與II類潤滑油中浸泡的O型圈來說，其對應氣缸的泄漏量比使用未經過潤滑劑浸泡的O型圈的氣缸小。而對于與IV類潤滑油浸泡過的O型圈來說，其對應氣缸的泄漏量有所增大。

3 結語

本文對于受不同潤滑油作用之后的O型圈對氣缸工作性能的影響作了試驗研究。試驗結果表明，不同類型的潤滑劑對于密封材料的影響各有差異，從而造成氣缸工作性能的表現各不相同。其中，含有飽和烴的基礎油通過影響O型圈，使氣缸的摩擦力增大而密封性能增強，主要成分為合成油聚α烯烴的基礎油會使氣缸的摩擦力減小而密封性能減弱。

因此，不同種類的潤滑劑對氣缸的工作性能都同時有著正面與反面的影響。要做好氣缸的潤滑優化，必須在選擇潤滑劑時綜合考慮各類潤滑劑。要選用含有不飽和成分較少的型號，同時還要添加如合成油聚α烯烴等成分，以更好地提高氣缸的工作性能。