VL密封件泄漏影響因素試驗(yàn)研究*

趙 勇 黃 樂(lè) 王培杰 陳 晴 俞經(jīng)虎

(1.江南大學(xué)機(jī)械與工程學(xué)院 江蘇無(wú)錫 214000；2.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司 廣東廣州 510535)

液壓密封件是液壓系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠性與壽命對(duì)保證液壓系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用。VL密封件由VL密封圈與O形橡膠圈組合而成，其中O形橡膠圈可以對(duì)VL密封圈的磨損量起到一定的補(bǔ)償作用[1-2]。VL密封在控制泄漏和摩擦力大小方面都有著很突出的優(yōu)勢(shì)[3]，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封中有著廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)過(guò)程中不合理的材料選擇，使用過(guò)程中不合理的安裝以及惡劣的工作環(huán)境都會(huì)加速密封件的損壞，導(dǎo)致密封性能達(dá)不到要求。由于密封件是依靠配合過(guò)程中過(guò)盈產(chǎn)生的接觸壓力實(shí)現(xiàn)密封，因此在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生摩擦磨損、擠壓等，進(jìn)而導(dǎo)致密封件性能受到影響，產(chǎn)生泄漏。據(jù)統(tǒng)計(jì)，液壓系統(tǒng)的各類(lèi)密封問(wèn)題中密封件磨損失效的比例占80%[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)密封件在使用過(guò)程中的磨損進(jìn)行了研究。趙秀栩、徐敏等人[5-6]通過(guò)ANSYS仿真分析密封件在不同磨損程度下摩擦應(yīng)力和失效概率變化規(guī)律，分析磨損對(duì)VL密封件性能的影響，并對(duì)液壓缸實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中往復(fù)密封件的磨損進(jìn)行預(yù)測(cè)。黃興、徐娜等人[7-8]基于有限元分析軟件分析了不同工況下泄漏量與摩擦力之間的變化關(guān)系。吳健等人[9]基于多尺度分析了徑向唇形密封摩擦行為，研究表明PTFE材料的摩擦力隨溫度的升高而減小。黃樂(lè)等人[10]通過(guò)環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行滴油潤(rùn)滑條件下聚氨酯材料的摩擦磨損試驗(yàn)，研究聚氨酯材料在不同壓力、轉(zhuǎn)速、磨損時(shí)間下的磨損情況，利用ANSYS計(jì)算接觸壓力，并通過(guò)Rhee的磨損經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)非線(xiàn)性回歸擬合獲得聚氨酯材料的磨損經(jīng)驗(yàn)公式。

上述研究通過(guò)有限元分析技術(shù)求解出了密封件在不同工況參數(shù)下的摩擦力、磨損量等參數(shù)，但對(duì)于密封件在同一工況下的摩擦力、磨損量等參數(shù)變化對(duì)泄漏速率影響的研究較少。同時(shí)，在密封件使用過(guò)程中，由于實(shí)際溫度變化等工況復(fù)雜，有限元分析結(jié)果并不一定能反映出密封件實(shí)際性能變化。因此有必要進(jìn)行密封件壽命的試驗(yàn)，分析VL密封件在實(shí)際使用過(guò)程中的性能指標(biāo)與密封件摩擦力、變形量等參數(shù)的關(guān)系。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)方法

文中參照《液壓傳動(dòng) 密封裝置 評(píng)定液壓往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封件性能的試驗(yàn)方法》[11]，及相關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[12]進(jìn)行試驗(yàn)。

活塞桿在進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，粘附在活塞桿上的油膜在外行程中被帶入密封唇口與活塞桿之間的密封界面。在內(nèi)行程過(guò)程中，粘附在活塞桿上的油膜又被帶回缸內(nèi)。于是帶出與帶回的密封介質(zhì)量的差值就為該往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的泄漏量[10]，每公里泄漏的液體質(zhì)量稱(chēng)為密封件往復(fù)運(yùn)動(dòng)的泄漏速率。泄漏速率是評(píng)價(jià)密封件性能的直接指標(biāo)，當(dāng)泄漏速率超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，即判定為失效。在腔體兩端各放置一個(gè)燒杯用于接收往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中泄漏的液體，每間隔一段時(shí)間稱(chēng)量燒杯質(zhì)量，質(zhì)量差即為這段時(shí)間的泄漏量；泄漏量與這段時(shí)間往復(fù)運(yùn)動(dòng)公里數(shù)的比值為泄漏速率。

密封件的磨損直接影響其壽命，對(duì)密封磨損程度的測(cè)量一般是對(duì)比密封件試驗(yàn)前后的長(zhǎng)度差或質(zhì)量差來(lái)測(cè)量磨損量[13]。文中試驗(yàn)使用梅特勒ML304T電子天平對(duì)密封件質(zhì)量進(jìn)行精確測(cè)量，其精度可達(dá)到0.1 mg。

密封件的摩擦力是評(píng)價(jià)密封件性能的重要因素，密封件隨著往復(fù)密封運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行發(fā)生磨損，進(jìn)而密封件與活塞桿之間的摩擦力也隨之而改變。文中試驗(yàn)利用摩擦力傳感器測(cè)量不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的摩擦力數(shù)值，通過(guò)分析摩擦力的變化情況，掌握密封件與活塞桿之間的摩擦力的變化規(guī)律，可以為密封件的研制提供試驗(yàn)依據(jù)。

密封件的尺寸利用UTPvision檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，使用美國(guó)ZYGO公司生產(chǎn)的3D表面輪廓/微觀(guān)測(cè)量?jī)x測(cè)量截面輪廓與唇口處表面粗糙度。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)臺(tái)架為多列往復(fù)密封試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)由液壓站系統(tǒng)、密封件測(cè)試臺(tái)架、電器控制系統(tǒng)、高精度過(guò)濾系統(tǒng)、油位水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集儲(chǔ)存輸出系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 多列往復(fù)試驗(yàn)臺(tái)

試驗(yàn)所選取的密封件為VL形密封圈，產(chǎn)品規(guī)格為VL50 mm×61 mm×6.7 mm，所采用的材料為PTFE。如圖2所示。

圖2 VL密封件

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)開(kāi)始前檢查機(jī)器運(yùn)行情況，清理燒杯并測(cè)量燒杯初始質(zhì)量。測(cè)量試驗(yàn)所用VL密封件的基本尺寸，而后進(jìn)行密封件的安裝。如圖3所示，密封件安裝大致步驟如下：密封件安裝在密封件溝槽內(nèi)，將密封件溝槽、隔套、壓套依次裝入腔體內(nèi)；當(dāng)缸內(nèi)工裝安裝完成后，缸體兩側(cè)安裝端蓋進(jìn)行固定，將活塞桿安裝進(jìn)去后，試驗(yàn)工裝安裝完成。

圖3 密封件安裝過(guò)程

試驗(yàn)工裝安裝完成后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟如下：

(1)先進(jìn)行一組VL密封件往復(fù)運(yùn)動(dòng)全壽命測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中，每隔一段時(shí)間記錄燒杯質(zhì)量變化與摩擦力。當(dāng)VL密封件泄漏速率超過(guò)使用要求時(shí)，記錄試驗(yàn)過(guò)程的總里程數(shù)并記為該型號(hào)VL密封件的壽命。取出VL密封件測(cè)量尺寸與微觀(guān)形貌，然后制作切片用于觀(guān)察表面輪廓變化。

(2)更換密封件，重復(fù)步驟(1)，當(dāng)VL密封件往復(fù)運(yùn)動(dòng)的總里程數(shù)分別達(dá)到第一次試驗(yàn)總里程數(shù)的5%、25%、50%、75%更換密封件，再次進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

在壓力為28 MPa、速度為0.3 m/s、運(yùn)動(dòng)行程為300 mm的常溫條件下，第一組VL密封件在往復(fù)運(yùn)動(dòng)總里程數(shù)達(dá)到41 km時(shí)，泄漏速率不再符合要求，判定密封件失效。因此壽命的5%的節(jié)點(diǎn)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)總里程數(shù)2.05 km，即第二組試驗(yàn)的停止條件為往復(fù)運(yùn)動(dòng)總里程數(shù)達(dá)到2.05 km。此外，另3組試驗(yàn)分別在往復(fù)運(yùn)動(dòng)總里程數(shù)達(dá)到10.25 km(25%)、20.5 km(50%)、30.75 km(75%)停止試驗(yàn)。

2.1 不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下的泄漏量變化

密封件在使用過(guò)程中，泄漏量與泄漏速率是評(píng)價(jià)其性能的重要指標(biāo)。試驗(yàn)得到的不同時(shí)間下的泄漏量變化與泄漏速率變化如圖4所示。

圖4 不同運(yùn)行里程時(shí)泄漏變化

由圖4可知，密封件在使用過(guò)程中，開(kāi)始階段泄漏速率逐漸增加，然后進(jìn)入穩(wěn)定階段，密封件泄漏速率維持在3～4 g/km之間；此后密封件密封性能下降，泄漏率逐漸增加。由此可以得出VL密封件在實(shí)際使用過(guò)程泄漏變化規(guī)律，進(jìn)而為密封件的性能分析提供指導(dǎo)意義。

2.2 泄漏速率與內(nèi)徑尺寸的關(guān)系

VL密封件在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中處于流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài)[14]，從而達(dá)到密封的效果，但其內(nèi)徑位置不可避免地受到活塞桿的接觸壓力與油壓，從而內(nèi)徑尺寸發(fā)生變化。

不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下各組試驗(yàn)密封件在試驗(yàn)前后的尺寸變化及泄漏率變化如表1所示。

由表1可知，VL密封圈在使用過(guò)程中內(nèi)徑隨著使用時(shí)間的增加整體呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)與VL密封工裝(見(jiàn)圖3)分析：活塞桿在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與VL密封圈的唇口有接觸壓力，在接觸壓力的作用下，VL密封圈的內(nèi)徑逐漸增加。結(jié)合泄漏速率變化與內(nèi)徑尺寸變化可以得出：泄漏速率與內(nèi)徑尺寸變化呈正相關(guān)關(guān)系。

表1 內(nèi)徑尺寸變化及泄漏速率變化

2.3 泄漏速率與截面的磨損輪廓變化的關(guān)系

將測(cè)試后的密封圈進(jìn)行切片觀(guān)測(cè)，即沿著圓心并垂直于密封圈切下薄片，使用美國(guó)ZYGO生產(chǎn)的3D表面輪廓測(cè)量?jī)x對(duì)切片進(jìn)行輪廓投影。不同壽命節(jié)點(diǎn)密封圈輪廓變化如圖5所示。

圖5 密封圈不同壽命節(jié)點(diǎn)投影輪廓對(duì)比

以高度變化為例，不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)下各組試驗(yàn)密封件的高度變化及泄漏率變化如表2所示。

表2 高度尺寸變化及泄漏率變化

由圖5、表2可知，VL密封件在使用過(guò)程中會(huì)逐漸發(fā)生變形，變形速度在開(kāi)始階段較大，而在正常使用階段變化較小，當(dāng)泄漏速率達(dá)到失效條件時(shí)，其形狀變化較大。往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中VL密封件的應(yīng)力主要集中在VL密封件的唇口處以及O形圈與VL密封件的接觸部分[15]，其變形主要表現(xiàn)為唇口與活塞桿的角度逐漸減小，O形圈與VL密封圈接觸位置厚度逐漸減小。隨著變形的程度增加，VL密封的泄漏速率逐漸變大，密封效果逐漸變差。

2.4 密封件摩擦磨損與泄漏量變化分析

在壽命試驗(yàn)過(guò)程中，磨損量隨時(shí)間的變化如圖6所示。

圖6 不同運(yùn)行里程時(shí)磨損量變化

由圖6可知，VL密封件在使用過(guò)程中，在活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的作用下，發(fā)生了一定量的摩擦磨損，且磨損量逐漸增加。結(jié)合圖6中磨損量變化與圖4(b)中泄漏速率變化可知：VL密封件的磨損速率與泄漏速率呈正相關(guān)關(guān)系，但由于其變化量較小，因此可以推斷出磨損量變化并不是該試驗(yàn)中影響VL密封件泄漏速率的主要因素。

2.5 摩擦力與泄漏量的關(guān)系

利用摩擦力傳感器測(cè)量密封件在不同壽命節(jié)點(diǎn)的摩擦力變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同運(yùn)行里程時(shí)摩擦力變化

從圖7中可以看出，隨著往復(fù)次數(shù)的增加，摩擦力在壽命區(qū)間內(nèi)整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。結(jié)合圖6中磨損量變化曲線(xiàn)，可知隨著磨損量的增加，摩擦力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在VL密封件的使用過(guò)程中，VL密封圈的唇口位置在摩擦磨損的作用下，表面微觀(guān)形狀會(huì)發(fā)生改變。利用美國(guó)ZYGO生產(chǎn)的3D表面微觀(guān)測(cè)量?jī)x對(duì)VL密封圈表面進(jìn)行測(cè)量，以壽命節(jié)點(diǎn)為100%的VL密封件為例，所測(cè)量的微觀(guān)形貌如圖8所示。

圖8 唇口表面微觀(guān)形貌

通過(guò)對(duì)唇口處微觀(guān)形貌的測(cè)量，得到VL密封件在使用過(guò)程中各壽命節(jié)點(diǎn)下唇口處均方根粗糙度變化如圖9所示。

圖9 不同運(yùn)行里程時(shí)均方根粗糙度變化

在VL密封件試驗(yàn)過(guò)程中，唇口處均方根粗糙度值整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，與摩擦力變化趨勢(shì)較為吻合。結(jié)合圖4(b)中泄漏速率變化曲線(xiàn)可知：在文中試驗(yàn)條件下，密封件表面粗糙度變化與VL密封件的泄漏速率變化無(wú)直接關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)VL密封件在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，泄漏速率與內(nèi)徑尺寸變化呈正相關(guān)關(guān)系，即內(nèi)徑尺寸變化越大，泄漏速率越大。

(2)VL密封件在接觸壓力的作用下發(fā)生變形，其中變形主要發(fā)生在O形圈與VL密封圈接觸位置以及VL密封圈唇口處，且泄漏速率與變形程度正相關(guān)。因此，合理改善VL密封件的變形情況可以提高VL密封件的性能。

(3)VL密封件的磨損量與泄漏速率變化呈正相關(guān)關(guān)系，但試驗(yàn)過(guò)程中磨損量變化較小，可以推斷出磨損量對(duì)VL密封件的泄漏速率影響較小。

(4)VL密封件的摩擦力隨著使用時(shí)間的增加整體呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，與唇口處均方根粗糙度變化趨勢(shì)較為吻合；試驗(yàn)過(guò)程中摩擦力、唇口處均方根粗糙度與泄漏速率變化無(wú)直接關(guān)系。