密封材料剪切性能的探討

吳昌義

摘 要：針對(duì)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(jì)了一種測(cè)試密封材料抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)工具，并對(duì)不同硬度、型號(hào)的橡膠材料的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，找出了密封材料抗剪強(qiáng)度與硬度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為液壓缸密封配合間隙設(shè)計(jì)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(duì)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(yùn)行過程中，密封件會(huì)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(shí)，會(huì)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(huì)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(jì)合適的密封間隙δ，使得密封件在長(zhǎng)久運(yùn)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(cè)定試驗(yàn)工裝

密封件的抗剪強(qiáng)度作為一項(xiàng)重要的力學(xué)指標(biāo)，是油缸設(shè)計(jì)中密封間隙和密封材料選擇的重要依據(jù)，有必要對(duì)密封件材料的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定。然而國(guó)內(nèi)研究及企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)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(bào)道較少。密封材料的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)相比拉伸、抗壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)影響因素較多，試樣形狀的不同、試驗(yàn)工裝與方法的選取不同，測(cè)出來的結(jié)果相差懸殊。文章依據(jù)國(guó)標(biāo)GBT 1700-2001規(guī)定的硬質(zhì)橡膠剪切強(qiáng)度的測(cè)定方法，設(shè)計(jì)了一種測(cè)試密封材料抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)工裝，用來測(cè)定O形圈和其他矩形形狀密封圈的抗剪強(qiáng)度。本試驗(yàn)工裝能夠?qū)ο嗤螤畹拿芊馊羟袕?qiáng)度進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，但可能與其他實(shí)驗(yàn)方法得到相同的測(cè)試結(jié)果。

圖2為密封件抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)工裝的實(shí)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(duì)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(cè)試圓柱形截面試樣時(shí)，該槽也可以設(shè)計(jì)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(yàn)過程在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。將上述模具放在試驗(yàn)機(jī)的壓縮試驗(yàn)臺(tái)架上，按動(dòng)壓縮試驗(yàn)，凸模能自動(dòng)對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了較好的評(píng)估密封材料的抗剪強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果，參考橡膠材料的性能測(cè)試相關(guān)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)測(cè)試的樣品切取至少5個(gè)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，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(duì)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(duì)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(cè)數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，抗剪強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度沒有明顯的對(duì)應(yīng)變化規(guī)律，但與硬度有一定對(duì)應(yīng)的變化規(guī)律?？梢?，對(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系為：τ=0.98*H-63。通過以上經(jīng)驗(yàn)公式就可以通過計(jì)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(jì)、以及額定工作壓力評(píng)估提供參考。

表2 不同密封材料的抗剪強(qiáng)度對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)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(yàn)公式。測(cè)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(jì)與密封材料選擇提供參考。

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