不同溫度下橡膠油封單位徑向力的測(cè)試與計(jì)算

徐起升，黃 樂，向 宇，張曉輝，肖風(fēng)亮

（廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，廣東 廣州 510700）

徑向力是橡膠油封（以下簡(jiǎn)稱油封）密封性能的重要參數(shù)[1-3]，也是控制油封生產(chǎn)質(zhì)量的主要指標(biāo)。

從第二次世界大戰(zhàn)末期內(nèi)置彈簧兩半軸油封徑向力測(cè)量儀發(fā)明以來，先后開發(fā)了多種油封徑向力測(cè)量儀，并不斷制修訂油封徑向力測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，如HG/T 2069—2004《旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈兩半軸式徑向力測(cè)定儀技術(shù)條件》和DIN 3761-10—1984《汽車用唇型旋轉(zhuǎn)軸密封件 第10部分：試驗(yàn)、試驗(yàn)機(jī)器和規(guī)范》。油封徑向力測(cè)量儀的出現(xiàn)為油封設(shè)計(jì)和質(zhì)量檢測(cè)提供了保證。但徑向力測(cè)量儀只能測(cè)量特定規(guī)格的油封徑向力，因此徑向力工程計(jì)算法具有重要的工程意義。

常溫下油封徑向力的變化規(guī)律已有較深入的探討[4-8]，但溫度對(duì)油封徑向力的影響研究卻很少。

本工作采用高溫徑向力測(cè)量儀測(cè)量不同溫度下油封單位長度徑向力（即油封單位徑向力），并將測(cè)量結(jié)果與工程計(jì)算法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為工程計(jì)算中油封材料的彈性模量選取提供參考。

1 油封徑向力測(cè)量原理

高溫油封徑向力測(cè)量儀如圖1所示，其測(cè)量軸由兩個(gè)半軸組成。兩個(gè)半軸安裝在溫控箱內(nèi)，通過溫控箱可以設(shè)置不同的試驗(yàn)溫度。

圖1 高溫徑向力測(cè)量儀

測(cè)量軸的兩個(gè)半軸一個(gè)為固定半軸，另一個(gè)為活動(dòng)半軸，活動(dòng)半軸同時(shí)與電阻應(yīng)變片式力傳感器相連。測(cè)量時(shí)將油封套在兩個(gè)半軸上，使活動(dòng)半軸移動(dòng)到整圓位置，活動(dòng)半軸通過力傳感器，測(cè)得油封徑向力的垂直分力，然后通過自動(dòng)運(yùn)算將垂直分力轉(zhuǎn)化為單位徑向力并將其輸出[3]。

高溫油封徑向力測(cè)量儀的測(cè)試原理如圖2所示，F(xiàn)為油封徑向力的垂直分力，Pr為油封單位徑向力。

圖2 高溫油封徑向力測(cè)量儀測(cè)試原理

2 徑向力工程計(jì)算法

工程計(jì)算法是處理工程實(shí)際問題最為簡(jiǎn)單有效的方法之一，油封徑向力的工程計(jì)算主要基于以下3個(gè)假設(shè)：①軸的剛性足夠大，在工作過程中不發(fā)生形變；②在小變形條件下橡膠材料是完全彈性的；③在小變形條件下忽略油封的截面面積變化。

油封在工作時(shí)，唇口與軸處于過盈裝配狀態(tài)，唇口的過盈量對(duì)軸產(chǎn)生一定的抱緊力Pe，腰部由于變形對(duì)軸產(chǎn)生一定的彈力Pw，唇口安裝的金屬彈簧對(duì)軸產(chǎn)生徑向緊箍力Ps。這3個(gè)力相疊加形成油封對(duì)軸的徑向抱緊力，就是單位徑向力。

式中，δ為油封內(nèi)徑與軸直徑的過盈量，E為油封材料的彈性模量，A為油封唇口截面積，r為測(cè)量軸半徑，Sm為油封腰部厚度，L為油封腰部長度，D為工作狀態(tài)下彈簧內(nèi)直徑，Pc為彈簧張力。

將式（2）—（4）代入式（1）得

油封在使用過程中，由于旋轉(zhuǎn)軸線速度不同，油封徑向力不同，一般為100～200 N·m-1。在高速使用條件下，油封徑向力偏低值（95～130 N·m-1）；在低速使用條件下，油封徑向力偏高值（150～220 N·m-1）。

油封徑向力過小，密封性能不可靠；徑向力過大，由于軸高速旋轉(zhuǎn)，唇口摩擦加劇，摩擦扭矩和溫升很高，加速了油封損壞，大大縮短了油封的使用壽命。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 試樣

丁腈橡膠油封。

3.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

高溫徑向力測(cè)量儀和高低溫材料試驗(yàn)機(jī)。

3.3 性能測(cè)試

油封徑向力按照《JFJ-G800型高溫精密油封徑向力測(cè)量儀使用操作手冊(cè)》測(cè)試；拉伸試驗(yàn)按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能》進(jìn)行；壓縮試驗(yàn)按照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》進(jìn)行。

每組試驗(yàn)測(cè)試3個(gè)試樣，取3個(gè)測(cè)試值的平均值。試驗(yàn)溫度為25，50，80，100 ℃，試樣在試驗(yàn)溫度下靜置10 min后進(jìn)行測(cè)量。

4 結(jié)果與討論

選取規(guī)格為Φ45×Φ60×8的丁腈橡膠油封作為研究對(duì)象，油封結(jié)構(gòu)如圖3所示。油封結(jié)構(gòu)測(cè)量參數(shù)為：δ＝1 mm，A＝10 mm2，r＝45 mm，Sm＝1.2 mm，L＝3 mm，D＝48.2 mm，Pc＝1.8 N（彈簧伸長約5%）。

圖3 油封結(jié)構(gòu)示意

油封材料（丁腈橡膠膠料）不同溫度下的拉伸和壓縮彈性模量分別如圖4和5所示。

從圖4和5可以看出：隨著溫度的升高，油封材料的拉伸和壓縮彈性模量均呈下降趨勢(shì)；在相同溫度下，油封材料在不同拉伸率下的拉伸彈性模量和不同壓縮率下的壓縮彈性模量均不同，這是橡膠材料的非線性造成的。

圖4 不同溫度下油封材料的拉伸彈性模量

依據(jù)油封材料的彈性模量測(cè)試結(jié)果，通過工程計(jì)算式（5）計(jì)算的不同溫度下油封單位徑向力與高溫油封徑向力測(cè)量儀測(cè)試的油封單位徑向力對(duì)比如表1和圖6所示。

圖5 不同溫度下油封材料的壓縮彈性模量

由表1和圖6可以看出，與油封材料彈性模量隨溫度升高而下降的趨勢(shì)類似，油封單位徑向力隨著溫度的升高而降低。根據(jù)工程計(jì)算法，采用不同油封材料彈性模量計(jì)算得出的油封單位徑向力相差較大，其中采用拉伸彈性模量計(jì)算得出的油封單位徑向力比采用壓縮模量計(jì)算得出的油封單位徑向力更接近實(shí)測(cè)的油封單位徑向力；采用50%拉伸率下彈性模量計(jì)算得出的油封單位徑向力與實(shí)測(cè)的油封單位徑向力最接近，且4個(gè)溫度下的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值誤差均不超過5%。

圖6 油封單位徑向力-溫度關(guān)系曲線

表1 不同溫度下油封單位徑向力的工程計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

5 結(jié)論

（1）采用高低溫材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試的丁腈橡膠油封材料拉伸和壓縮彈性模量與采用高溫徑向力測(cè)量儀測(cè)試的丁腈橡膠油封單位徑向力均隨著溫度的升高而降低。

（2）根據(jù)工程計(jì)算法，采用材料拉伸彈性模量計(jì)算得出的油封單位徑向力比采用壓縮模量計(jì)算得出的油封單位徑向力更接近實(shí)測(cè)的油封單位徑向力；采用材料50%拉伸率下彈性模量計(jì)算出的油封單位徑向力與實(shí)測(cè)的油封單位徑向力最接近，誤差不超過5%，該拉伸率下計(jì)算得出的油封單位徑向力具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。