不同溫度下橡膠油封單位徑向力的測試與計算

徐起升，黃 樂，向 宇，張曉輝，肖風亮

（廣州機械科學研究院有限公司，廣東 廣州 510700）

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

從第二次世界大戰末期內置彈簧兩半軸油封徑向力測量儀發明以來，先后開發了多種油封徑向力測量儀，并不斷制修訂油封徑向力測試標準，如HG/T 2069—2004《旋轉軸唇形密封圈兩半軸式徑向力測定儀技術條件》和DIN 3761-10—1984《汽車用唇型旋轉軸密封件 第10部分：試驗、試驗機器和規范》。油封徑向力測量儀的出現為油封設計和質量檢測提供了保證。但徑向力測量儀只能測量特定規格的油封徑向力，因此徑向力工程計算法具有重要的工程意義。

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

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

1 油封徑向力測量原理

高溫油封徑向力測量儀如圖1所示，其測量軸由兩個半軸組成。兩個半軸安裝在溫控箱內，通過溫控箱可以設置不同的試驗溫度。

圖1 高溫徑向力測量儀

測量軸的兩個半軸一個為固定半軸，另一個為活動半軸，活動半軸同時與電阻應變片式力傳感器相連。測量時將油封套在兩個半軸上，使活動半軸移動到整圓位置，活動半軸通過力傳感器，測得油封徑向力的垂直分力，然后通過自動運算將垂直分力轉化為單位徑向力并將其輸出[3]。

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

圖2 高溫油封徑向力測量儀測試原理

2 徑向力工程計算法

工程計算法是處理工程實際問題最為簡單有效的方法之一，油封徑向力的工程計算主要基于以下3個假設：①軸的剛性足夠大，在工作過程中不發生形變；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，唇口與軸處于過盈裝配狀態，唇口的過盈量對軸產生一定的抱緊力Pe，腰部由于變形對軸產生一定的彈力Pw，唇口安裝的金屬彈簧對軸產生徑向緊箍力Ps。這3個力相疊加形成油封對軸的徑向抱緊力，就是單位徑向力。

式中，δ為油封內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為工作狀態下彈簧內直徑，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，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 實驗

3.1 試樣

丁腈橡膠油封。

3.2 主要試驗設備

高溫徑向力測量儀和高低溫材料試驗機。

3.3 性能測試

油封徑向力按照《JFJ-G800型高溫精密油封徑向力測量儀使用操作手冊》測試；拉伸試驗按照GB/T 528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能》進行；壓縮試驗按照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》進行。

每組試驗測試3個試樣，取3個測試值的平均值。試驗溫度為25，50，80，100 ℃，試樣在試驗溫度下靜置10 min后進行測量。

4 結果與討論

選取規格為Φ45×Φ60×8的丁腈橡膠油封作為研究對象，油封結構如圖3所示。油封結構測量參數為：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 油封結構示意

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；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

依據油封材料的彈性模量測試結果，通過工程計算式（5）計算的不同溫度下油封單位徑向力與高溫油封徑向力測量儀測試的油封單位徑向力對比如表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類似，油封單位徑向力隨著溫度的升高而降低。根據工程計算法，采用不同油封材料彈性模量計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算得出的油封單位徑向力比采用壓縮模量計算得出的油封單位徑向力更接近實測的油封單位徑向力；采用50%拉伸率下彈性模量計算得出的油封單位徑向力與實測的油封單位徑向力最接近，且4個溫度下的計算值與實測值誤差均不超過5%。

圖6 油封單位徑向力-溫度關系曲線

表1 不同溫度下油封單位徑向力的工程計算值與實測值對比

5 結論

（1）采用高低溫材料試驗機測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量儀測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）根據工程計算法，采用材料拉伸彈性模量計算得出的油封單位徑向力比采用壓縮模量計算得出的油封單位徑向力更接近實測的油封單位徑向力；采用材料50%拉伸率下彈性模量計算出的油封單位徑向力與實測的油封單位徑向力最接近，誤差不超過5%，該拉伸率下計算得出的油封單位徑向力具有較好的工程應用價值。