橡膠密封圈密封性能預判方法研究

許治國，周安偉，王曉英，劉 婷，楊菊輝

（中國工程物理研究院 化工材料研究所，四川 綿陽 621999）

橡膠密封圈為擠壓型密封件，靠外力裝配壓緊，當其裝入密封槽后，截面承受接觸壓縮應力而產生彈性變形，對接觸面產生一定的初始接觸壓力，利用密封面上的比壓使介質通過密封面的阻力大于密封面兩側的介質壓力差，從而實現(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)驗判斷或進行有限元模擬計算，無法得知實際受力情況，也無法預判密封性能。

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鍵因素。其中拉伸和磨耗性能測試可以參考相應的國家標準，但國家標準中橡膠試樣壓縮性能測試是開放空間、單向壓縮測試，與橡膠密封圈的受力情況有較大差異，難以測試橡膠密封圈壓縮性能，因此不能準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判方法，通過測定橡膠密封圈在使用過程中應力-應變的變化關系，判定其密封性能。

1 實驗

1.1 試樣制備

將橡膠、炭黑、硫黃及硫化助劑在開煉機上混煉均勻，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試樣品。

1.2 試驗設備

橡膠試樣壓縮性能測試裝置和橡膠密封圈壓縮性能測試裝置，中國工程物理研究院自制；INSTRON 5582材料試驗機，英斯特朗（上海）試驗設備貿易有限公司產品。

2 測試原理

橡膠密封圈在使用過程中，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鍵因素。

橡膠材料的壓縮應力應變性能測試可以參照GB/T 7757—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮應力應變性能的測定》，采用Ф29.0 mm 12.5 mm的橡膠圓柱體在材料試驗機上，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）的關系曲線。橡膠圓柱體壓縮應力應變如圖2所示。

圖2 橡膠圓柱體壓縮應力應變示意

按照國家標準中關于橡膠試樣壓縮性能測試方法，只能測得軸向壓力與軸向變形的關系，無法測量徑向壓力與徑向變形的關系，因此不能建立橡膠試樣各方向力和變形間的關系。

對于約束空間的橡膠圓柱體及橡膠密封圈的壓縮應力應變性能，沒有相應的測試標準可供執(zhí)行和參考。為此，設計了一種如圖3所示的橡膠試樣壓縮性能測試裝置。該裝置設計加工了系列約束套筒（Ф31.0～34.0 mm），在套筒側面設計滑塊與測力傳感器相連，將橡膠試樣壓縮性能測試裝置連接至材料試驗機上，參照GB/T 7757—2009進行測試。使用該裝置可以測試橡膠密封圈的軸向壓力、徑向壓力、軸向壓縮應變間的關系。由于約束壓縮裝配剩余空間很小，因此試驗加載速度可降低至1 mm min-1。

圖3 橡膠試樣壓縮性能測試裝置

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

圖4 橡膠密封圈壓縮性能測試裝置

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

3 結果與討論

3.1 橡膠試樣壓縮性能測試

橡膠試樣在按照國家標準進行壓縮性能測試（開放空間）時，試樣會逐步向周邊膨脹成腰鼓形。通過位移傳感器可以實時測定橡膠試樣的徑向膨脹量與軸向加載量的關系曲線：橡膠試樣的徑向膨脹量與軸向加載量呈線性相關。

當使用不同直徑的約束套筒對橡膠試樣進行壓縮性能測試時，材料試驗機加載的軸向壓力與軸向位移的關系曲線如圖5所示。

圖5 約束壓縮測試中橡膠圓柱體軸向壓力與軸向位移的關系

從圖5可以看出：使用約束套筒對橡膠試樣進行壓縮性能測試時，試樣會先徑向膨脹成腰鼓形；當試樣膨脹接觸到套筒后將無法繼續(xù)膨脹，繼續(xù)加載直至試樣填滿剩余空間；當試樣壓實后，徑向無法膨脹，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系曲線

從圖6可以看出，壓縮加載時橡膠試樣發(fā)生徑向膨脹，約束套筒直徑越小，在進行小壓縮量壓縮時試樣越易接觸套筒滑塊，測力傳感器越快測得徑向壓力。使用Ф31 mm約束套筒，當材料試驗機壓縮加載0.85 mm時，徑向壓力出現(xiàn)；使用Ф34 mm約束套筒，材料試驗機則需壓縮加載至2.78 mm，才測得徑向壓力。

通過對比不同配方工藝的橡膠試樣在壓縮性能測試過程中軸向壓力與徑向壓力的關系曲線，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試

使用橡膠密封圈壓縮性能測試裝置對橡膠密封圈的軸向壓力、徑向壓力與軸向位移進行測試，關系曲線如圖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建立對應關系，可以得到在相同軸向位移時軸向壓力與徑向壓力的關系曲線，如圖9所示。

圖7 橡膠密封圈壓縮性能測試中軸向壓力與軸向位移的關系曲線

圖8 橡膠密封圈壓縮性能測試中徑向壓力與軸向位移的關系曲線

圖9 橡膠密封圈壓縮性能測試中軸向壓力與徑向壓力關系曲線

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，甚至為過盈配合。一旦受到某個方向的力產生壓縮變形，同時會產生垂直方向的應力。

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，應力曲線呈非線性。應力曲線與橡膠密封圈的截面形狀、橡膠材料性能密切相關。

通過對比不同配方工藝及截面形狀的橡膠密封圈在壓縮性能測試過程中軸向壓力與徑向壓力的關系曲線，可以對橡膠密封圈的密封性能進行初步判斷。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 結語

綜上所述，通過設計加工測試工裝，安裝壓力傳感器和位移傳感器，可以測得橡膠試樣及橡膠密封圈在使用過程中應力-應變的實時變化關系。測試精度及測試結果重復性較好，解決了橡膠密封圈壓縮性能無法考核的問題。

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

使用本測試方法，可以對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行初步預判，同時為各類橡膠密封圈的研制生產提供試驗依據(jù)，具有一定的推廣應用價值。