大環(huán)徑比O形復合金屬密封件制備工藝及靜力學性能研究*

任志英 李金明 楊洋洋 朱懷文 梁盛濤

(1.福州大學機械工程及自動化學院 福建福州 350116； 2.福州大學金屬橡膠與振動噪聲研究所 福建福州 350116)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，密封技術在各個領域得到了越來越廣泛的應用。而一些高精度的儀器和元器件對密封性能的要求也越來越嚴格，這些元件的密封性能直接關系到相關領域能否突破現(xiàn)有的發(fā)展瓶頸。為了保證現(xiàn)代工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，迫切需要研究更可靠的密封技術，達到更有效的密封效果[1-4]。目前常用的密封材料以橡膠材料為主，但是橡膠材料因其本質(zhì)屬性的局限性而限制了適用范圍。例如：橡膠材料在大溫差下無法正常工作，在高溫下易老化、低溫下易脆裂，難以承受較大的壓力；在高真空、強腐蝕、強輻射工作環(huán)境下，橡膠材料也易老化而失效。因此，自主研發(fā)和探索在特殊工況下適用的高性能密封件，一直是密封防泄漏領域的主要研究課題之一[5-6]。金屬橡膠因具有工作溫度范圍大、抗腐蝕、強度高等特性[7-8]，可以在惡劣工程環(huán)境中應用，在密封領域得到越來越多的重視。金屬橡膠是一種彈性多孔狀材料，其內(nèi)部為螺旋狀金屬絲相互交錯勾連形成的空間網(wǎng)狀結構，在外載的作用下可以實現(xiàn)壓縮、回彈及阻尼耗能等作用[9-10]。

針對金屬橡膠的特性，趙宏宇[11]就研制了一款聚四氟乙烯包覆型金屬橡膠密封件，建立了金屬橡膠O形圈壓力傳遞系數(shù)模型，通過試驗研究了金屬橡膠密封件的體積泄漏率，獲得較好的理論與試驗成果。李遠超[12]開展了不同相對密度的金屬橡膠密封件在溫度環(huán)境下的遲滯特性與力學特性的試驗。張文靜[13]研制了2種包覆層的金屬橡膠密封件，通過試驗研究了金屬橡膠材料的溫度特性及力學特性；根據(jù)Navier-Stokes方程及壓差流動模型推導了密封件的泄漏率公式，并結合實例進行了計算和試驗研究。趙亞磊[14]將金屬橡膠密封件應用于往復軸動密封系統(tǒng)中，利用改進的金屬橡膠密封專用試驗臺和動密封測試工裝對金屬橡膠密封件進行試驗，通過對比試驗與理論驗證了理論分析的正確性。

學者們雖然對金屬橡膠密封件已經(jīng)開展了大量的研究工作，但由于其結構的復雜與工藝的繁瑣，目前研究進展依舊較為緩慢，特別是一些密封截面很小但整體直徑卻很大的大環(huán)徑比的耐高溫密封件。因此，本文作者以大環(huán)徑比O形金屬橡膠密封件為研究對象，研究其制備工藝并通過理論和試驗研究分析金屬橡膠密封件的靜力學性能。

1 金屬橡膠密封件制備工藝

金屬橡膠作為一種多孔材料，無法直接用于密封，常常采用增加開口包覆層實現(xiàn)，其示意圖見圖1。因此，金屬橡膠密封件制備流程分為兩個模塊：一是金屬橡膠密封件的彈性內(nèi)芯即金屬橡膠的制備；二是金屬橡膠密封件的包裹層制備，最后將其和彈性內(nèi)芯組裝在一起，制備出完整的金屬橡膠密封件。

圖1 金屬橡膠密封件示意Fig.1 Schematic of metal rubber seal

(1)

(2)

式中：m為金屬橡膠彈性體內(nèi)芯的質(zhì)量(g)；V為金屬橡膠彈性體內(nèi)芯的體積(cm3)；ρ為不銹鋼金屬絲的密度(g/cm3)。

根據(jù)公式(2)計算出金屬橡膠孔隙度，并得出孔隙度為69.7%、63.7%、57.6%、51.5%的金屬橡膠(MR)彈性體內(nèi)芯的質(zhì)量如表1所示。

表1 各孔隙度的MR內(nèi)芯質(zhì)量及數(shù)量Table 1 Mass and quantity of MR inner core of each porosity

1.1 金屬橡膠彈性內(nèi)芯制備工藝

MR內(nèi)芯制備采用絲徑為0.20 mm的304不銹鋼金屬絲作為原材料，并將選取的金屬絲經(jīng)過金屬絲螺旋圈繞制設備繞制，繞制出螺旋卷的內(nèi)徑約為絲徑的10倍，該種尺寸的金屬絲螺旋卷可以在編織毛坯時更好地使毛坯成型[15]。將繞制好的金屬絲螺旋卷進行定螺距拉伸，其中拉伸后螺旋卷的螺距與其內(nèi)徑大致相等，這樣可以使金屬絲之間的嚙合效果最好，保證后續(xù)在壓制金屬橡膠毛坯時體積穩(wěn)定性最高[16]。經(jīng)過金屬橡膠毛坯自動化纏繞設備纏繞后，即可得到成型的金屬橡膠彈性內(nèi)芯毛坯。最后將毛坯放入大環(huán)徑比O形金屬橡膠彈性內(nèi)芯專用壓制成型的模具中，用液壓機進行冷沖壓，即可得到金屬橡膠彈性內(nèi)芯。金屬橡膠彈性內(nèi)芯整體制備流程如圖2所示。

圖2 金屬橡膠彈性內(nèi)芯制備工藝流程Fig.2 Process flow of preparation of metal rubber elastic inner core

1.2 O形大口徑金屬橡膠密封件金屬包覆工藝

制備成型的金屬橡膠彈性內(nèi)芯因為缺少成型模具的約束，會出現(xiàn)微量擴張，因此為了將金屬橡膠彈性內(nèi)芯放置在不銹鋼毛細鋼管包裹層中，采用銑床切割機進行精確切取毛細不銹鋼管，開槽寬度為(2±0.1)mm。然后，將開槽的鋼管放置在特制的折彎模具中進行折彎、整圓工藝處理。由于毛細鋼管材質(zhì)較硬難以折彎，因此折彎時使用便攜式高溫火焰噴槍(最高溫度達1 000 ℃)，運用噴槍產(chǎn)生的高溫火焰的外焰緩慢烤制毛細鋼管使其軟化、降低毛細鋼管在折彎時產(chǎn)生的屈服應力，減少因折彎而產(chǎn)生的局部損傷，提高毛細鋼管包裹層圓度。最后，利用激光焊接機對折彎的鋼管進行接口處激光焊接，焊接完成后對包裹層進行整圓處理，以保證包裹層的圓度。同時用砂紙對焊接后的包裹層進行打磨去除包裹層在制備時產(chǎn)生的毛刺，完成金屬橡膠密封件包裹層的制備。金屬包覆工藝流程如圖3所示。

圖3 O形大口徑金屬橡膠密封件金屬包覆工藝流程Fig.3 Process flow of metal coating of O-shaped large-diameter metal rubber seals

2 金屬橡膠密封件的靜力學性能試驗

2.1 金屬橡膠密封件試件選取

文中制備的金屬橡膠密封件及內(nèi)芯試驗樣件，其基本尺寸參數(shù)如下：內(nèi)徑276 mm，外徑283 mm，截面直徑3.5 mm。選取孔隙度分別為69.7%、63.7%、57.6%和51.5%的樣件分別進行試驗。

2.2 試驗平臺

由于所設計的金屬橡膠密封件的環(huán)徑比較大，為保證整個密封件均能均勻受力，加載過程不出現(xiàn)樣件發(fā)生偏移現(xiàn)象，需要設計一套專用夾具。圖4(a)所示為設計的靜力學試驗的夾具工裝示意圖，夾具包括圓形壓盤和加持臺，圓形壓盤通過轉接口與試驗機相接可保證載荷均勻分布在金屬橡膠密封件上；加持臺的空腔用來放置試驗樣件并可以防止樣件發(fā)生徑向偏移。圖4(b)所示為試驗臺，圖4(c)所示為試驗工裝夾具。金屬橡膠彈性內(nèi)芯的靜力學試驗測試方法同上。

圖4 金屬橡膠密封件靜態(tài)壓縮試驗試驗臺及工裝夾具Fig.4 Test bed and fixture for static compression test of metal rubber seals:(a)schematic of fixture;(b)test bed;(c)fixture

2.3 金屬橡膠內(nèi)芯的準靜態(tài)性能試驗結果分析

試驗選取了上述4種不同孔隙度的金屬橡膠內(nèi)芯，分析了在相同載荷下4種不同孔隙度金屬橡膠內(nèi)芯的準靜態(tài)常溫下的力學性能，試驗結果如圖5所示。

圖5 相同載荷下不同孔隙度金屬橡膠內(nèi)芯的力-位移曲線Fig.5 Force-displacement curves of metal rubber core with different porosity under the same load

從圖5中可得，在一定的孔隙率范圍內(nèi)，在相同載荷作用下，金屬橡膠內(nèi)芯試樣的孔隙率越大，回彈性越好，試樣所能承受的工作載荷越大；此外，在相同載荷下，試樣的孔隙率越大，滯環(huán)面積越大，即能耗越大。

2.4 帶包覆層的金屬橡膠密封件準靜態(tài)性能試驗結果分析

試驗研究了4種不同孔隙度的金屬橡膠密封件(69.7%、63.7%、57.6%、51.5%)在準靜態(tài)常溫下的力學性能，分析載荷、孔隙度兩種參數(shù)對金屬橡膠密封件力學性能的影響，試驗結果如圖6和7所示。

圖6 不同載荷下孔隙度為63.7%的金屬橡膠密封件的力-位移Fig.6 The force-displacement curves of the metal rubber seal with porosity of 63.7% under different loads

從圖6中可知：孔隙度為63.7%的金屬橡膠密封件在壓縮試驗初期(施加的載荷量大約為2.4 kN)會出現(xiàn)明顯的轉折區(qū)，轉折區(qū)如圖6中局部放大圖所示，并且轉折區(qū)的橫坐標隨著載荷增加而不斷增加，而轉折區(qū)的縱坐標基本保持在同一水平即載荷為2.4 kN。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于：金屬橡膠密封件的承載變形過程可以分為兩個階段，第一階段即壓縮初期主要是不銹鋼包裹層承受載荷，第二階段是金屬橡膠內(nèi)芯和包裹層兩者同時承受載荷，由于第一階段承受載荷的主要元件是不銹鋼包裹層，此時的金屬橡膠內(nèi)芯承受較小部分的載荷，而包裹層屬于剛性材料，導致金屬橡膠密封件在試驗初期力學性能部分偏向于剛性材料。隨著載荷的增大，金屬橡膠密封件產(chǎn)生的變形也越來越大，且當載荷大于60 kN后，加載曲線逐漸重合，說明載荷增大后密封件的力學性能更加趨于穩(wěn)定。

從圖7中可得：在相同靜態(tài)載荷下4種不同孔隙度試驗樣件都呈現(xiàn)出典型的非線性遲滯特性，并且隨著孔隙度的不斷增大，試驗樣件的轉折區(qū)出現(xiàn)如圖中所示的下滑趨勢。即孔隙度越大，其轉折區(qū)越趨向原點。這是因為：金屬橡膠密封件的孔隙度越大，其內(nèi)芯即金屬橡膠材料的內(nèi)部結構就越松散，導致金屬橡膠密封件抵抗變形的能力也越小。故隨著孔隙度的減小，金屬橡膠密封件抵抗變形的能力隨之增大，且在相同加載位移下，孔隙度越小，金屬橡膠密封件承載能力越大。

圖7 載荷60 kN下不同孔隙度金屬橡膠密封件的力-位移曲線Fig.7 Force-displacement curves of metal rubber seals with different porosity under 60 kN load

為了進一步研究金屬橡膠密封件的靜力學性能，對比了4種不同孔隙度的金屬橡膠內(nèi)芯和金屬橡膠密封件在相同壓縮量下(0.5 mm)的承載情況，實驗結果為加載曲線，如圖8所示。

圖8 壓縮量0.5 mm下金屬橡膠密封件和內(nèi)芯的承載對比Fig.8 Comparison of the bearing capacity of the metal rubber seal and the inner core under 0.5 mm compression

從圖8可知，在相同壓縮量下，金屬橡膠密封件的承載能力是內(nèi)芯的4～5倍。從另一方面看，當受到相同載荷時，金屬橡膠密封件產(chǎn)生的變形會比金屬橡膠內(nèi)芯小很多，且隨著孔隙度的增大，承載能力越強。

3 O形大口徑金屬橡膠密封件的擬合公式

金屬橡膠是一種新型非線性阻尼材料，具有正交各向異性，制備工藝參數(shù)對其力學性能有一定的影響。因此，在將其應用到實際機械裝備中之前，有必要分析金屬橡膠密封件的加卸載過程，并建立多項式擬合函數(shù)，使其能夠在一定程度上反映出工藝參數(shù)對其影響，預測金屬橡膠密封件的工作狀態(tài)。

3.1 建立金屬橡膠密封件的多項式擬合函數(shù)

根據(jù)文獻[17-19]對金屬橡膠密封件靜態(tài)試驗進行擬合，利用最小二乘法對試驗數(shù)據(jù)多次擬合分析，建立起含有不銹鋼包覆的金屬橡膠密封件的多項式表達方程為

加載曲線方程：

(3)

卸載曲線方程：

b5x5+b6x6

(4)

3.2 多項式系數(shù)識別

通過對不同孔隙度的金屬橡膠密封件在不同載荷下進行準靜態(tài)力學性能測試，完成測試數(shù)據(jù)的多項式擬合。各試驗組的多項式系數(shù)的識別結果見表2。

表2 多項式系數(shù)擬合結果(孔隙度：69.7%)Table 2 Polynomial coefficient fitting results (Porosity:69.7%)

為分析金屬橡膠密封件的靜剛度與壓縮位移之間的變化關系，對上述擬合出的金屬橡膠密封件六階多項式加載曲線(除去 “轉折區(qū)”部分)進行求導，并繪制出如圖9所示的金屬橡膠密封件的靜剛度與位移變化圖。根據(jù)金屬橡膠密封件的設計要求，壓縮量應不超過30%(1 mm左右)，還要保證密封件具有一定范圍的外載，故測試了4種不同孔隙度的金屬橡膠密封件在壓縮量為1 mm時的承載范圍，如圖10所示。

圖9 金屬橡膠密封件靜剛度-位移曲線Fig.9 Static stiffness-displacement curves of metal rubber seal: (a)porosity of 69.7%；(b)static load of 60 kN

從圖9(a)可得：同一孔隙度的試驗樣件的靜剛度隨著載荷的增加而增加，靜剛度呈現(xiàn)出較強的非線性。從圖9(b)可得：不同孔隙度的金屬橡膠密封件的靜剛度出現(xiàn)先快速增加后緩慢增加兩個階段。圖9所示的現(xiàn)象和上述金屬橡膠密封件壓縮試驗較為一致，結合金屬橡膠密封件設計要求分析可知此類密封件滿足工作條件。

從圖10中可知，當4種不同孔隙度的金屬橡膠密封件受到準靜態(tài)載荷且壓縮量為1 mm時，各種金屬橡膠密封件的最大承載范圍在8～15 kN內(nèi)，這表明該金屬橡膠密封件非常適合一些載荷高的密封環(huán)境。

圖10 不同孔隙度的金屬橡膠密封件在壓縮量為1 mm時的承載力范圍Fig.10 The bearing range of metal rubber seals with different porosity when the compression amount is 1 mm

4 結論

(1)大環(huán)徑比O形金屬橡膠密封件在壓縮試驗初期會出現(xiàn)明顯的轉折區(qū)，并且轉折區(qū)的橫坐標隨著載荷增加而不斷增加，而轉折區(qū)的縱坐標基本保持在同一水平即載荷為2.4 kN。且孔隙度越大，其轉折區(qū)越趨向原點。

(2)金屬橡膠密封件因存在不銹鋼包裹層使其相比于金屬橡膠彈性內(nèi)芯具有更強的承載能力，在壓縮量小于15%時，金屬橡膠密封件的承載能力就是其內(nèi)芯的4～5倍。

(3)當4種不同孔隙度的金屬橡膠密封件受到準靜態(tài)載荷且壓縮量約為30%(1 mm)時，各種金屬橡膠密封件的最大承載力可達到8～15 kN，非常適合一些載荷高的密封環(huán)境。

(4)利用最小二乘法對金屬橡膠密封件的準靜態(tài)力學遲滯曲線進行多項式擬合，獲得了與試驗數(shù)據(jù)擬合程度較佳的多項式(六階)擬合方程。通過計算分析金屬橡膠密封件的靜剛度與位移之間的變化規(guī)律，可以為此類密封件的設計應用提供新思路。