飛機艙門橡膠密封件動摩擦性能實驗研究

渠 濤，柳 榮，董弋鋒，柯玉超，姚學鋒

(1. 中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院，上海 201210；2. 清華大學航天航空學院，北京 100084)

在飛機巡航中，飛機艙內外壓強不同，產生的壓差使得飛機艙門橡膠密封件具有側向移動趨勢，適當大小的摩擦力可以保持橡膠密封件在受到側向壓力作用時形狀不發生較大改變。同時，在橡膠密封件優化設計過程中，需要將橡膠密封件在氣體壓差作用下產生的側向位移作為一個優化指標，而側向位移是與動摩擦系數相關的，所以需要提前通過實驗測試確定橡膠密封件與艙門門框之間的動摩擦系數。另外，飛機在爬升和降落過程中，環境溫度變化迅速以及橡膠密封件清理不及時而殘留的油污、灰層等雜質都會對橡膠密封件的動摩擦性能產生影響。因此，如何表征橡膠密封件不同溫度、不同壓縮量以及不同表面處理條件下的動摩擦性能意義重大[1]。

根據以往的研究成果，橡膠密封件的動摩擦性能往往與其接觸力學特性相關。同時，在飛機飛行過程中，由于艙內外氣體壓差的存在使得橡膠密封件與艙門門框接觸區域發生泄漏現象，橡膠密封件的密封性能也會對其動摩擦性能產生相應的影響。Ke 等[2-3]建立了管狀橡膠密封件粘滑運動分析模型，揭示了管狀橡膠密封件粘滑運動機制。同時，基于管狀織物橡膠密封件在曲面間壓縮與摩擦分析方法，研究了管狀織物橡膠密封件在曲面摩擦力作用下，摩擦性能對驅動扭矩的影響。Yang 等[4]基于量綱分析理論建立了橡膠材料接觸力學模型，并采用了數字圖像相關技術確定了相應的接觸參數。彭天波等[5]基于實時子結構實驗方法，研究了天然橡膠支座的地震響應特點。吳宜峰等[6]對橡膠隔震支座的力學性能進行了有限元分析和實驗分析。針對橡膠密封件密封性能研究，Ke 等[7]和 Yang 等[8]分別建立了基于壓差法以及紅外圖像法的氣體泄漏裝置，并且通過相應的計算流體動力學模型驗證了實驗裝置測試結果。Wang 等[9]提出了適用于任何形狀泄漏孔的氣體泄漏預測模型，并通過實驗方法對模擬結果進行了驗證。Dong 等[10]基于橡膠材料粘彈性特性，揭示了橡膠材料應力松弛效應對橡膠密封件密封性能的影響。此外，國內外學者針對橡膠材料動摩擦性能的理論與實驗方法進行了大量研究。Chateauminois 等[11-12]通過橡膠與有機玻璃接觸應力測試與反演方法，研究了表面光滑的橡膠與表面有紋路的有機玻璃摩擦時的粘滑運動現象，揭示了粘滑運動時接觸界面剪切裂紋傳播速度獨立于摩擦時物體控制速度的規律。Tuononen[13]研究了不同加載力與不同加載速度下輪胎橡膠與玻璃平板之間的粘滑現象，并采用數字圖像相關技術測量了粘滑過程中接觸面速度場，得到了橡膠胎面與玻璃平板分離過程。近些年來，橡膠摩擦機制被更深入地進行了探討。基于橡膠滑動摩擦過程中摩擦力的來源分析，一般認為橡膠滑動摩擦力主要有兩個來源：由接觸界面間分子相互排斥與吸引產生的粘附摩擦力與橡膠反復變形時產生的遲滯摩擦力[14-16]。基于摩擦過程中的摩擦力產生的能量損耗，Persson 等[17-20]和Lorenz 等[21]等建立了橡膠與具有自相似的粗糙硬基底摩擦的理論，并研究了溫度累積、基底干濕、滑動速度等對摩擦性能的影響，為描述車輛輪胎制動過程提供指導。此外，有限元法也被引入到橡膠摩擦理論分析中。Lorenzis 等[22]采用具有正弦曲線剛性面的體積單元來代表分形粗糙面中最小尺寸結構，提出了一種基于微觀邊值模型反演宏觀摩擦系數的均勻化計算方法，并研究了滑動速度、加載力等對摩擦性能的影響。

本文主要研究不同截面形狀的飛機艙門橡膠密封件在不同溫度、不同壓縮量以及不同表面處理條件下的動摩擦性能，分析環境因素對橡膠密封件動摩擦性能的影響。研究內容對于飛機艙門橡膠密封件的實際應用具有重要意義。

1 動摩擦性能測試裝置及測試原理介紹

1.1 橡膠密封件

本文將具體研究以下3 種管型橡膠密封件，如圖1所示，根據其截面形狀進行區別，圖1(a)、圖1(b)以及圖1(c)分別為偏心形橡膠密封件、P 形橡膠密封件和心形橡膠密封件。根據測量需要，將橡膠密封件截成合適的長度，記為1#試件、2#試件和3#試件。

圖1 橡膠密封件及其截面尺寸 /mmFig. 1 Rubber seal and cross-sectional dimensions

1.2 高低溫動摩擦實驗機

實驗采用專門研制的高低溫動摩擦實驗機，如圖2 所示。高低溫動摩擦實驗機是專門用來測量橡膠密封件動摩擦性能的實驗設備，通過各種參數設置，可以用來測量不同溫度、不同壓縮量、不同速度等情況下橡膠密封件的動摩擦系數。

圖2 高低溫動摩擦實驗機及測試原理Fig. 2 High and low temperature dynamic friction testing machine and measure principle

實驗采用了2 種加載頭，如圖3(a)、圖3(b)所示。根據各加載頭底部形貌，分別命名為平底加載頭和圓弧加載頭。其中，平底壓頭和圓弧壓頭的材料為2024-T351 鋁。

圖3 不同加載頭Fig. 3 Different loading board

1.3 實驗測試原理

在試件長度的選用上，考慮到這個過程在溫度箱內進行，同時還要保證有一定的加載距離，通過反復實驗，最終確定試件均取200 mm，實驗時采用長度為500 mm 加載頭進行實驗。首先，加載頭豎直加載至指定位移，使橡膠密封件受到壓縮載荷，然后，維持加載頭豎直位移不變，進行水平運動。豎直加載速度為100 mm/min，水平加載速度為50 mm/min，水平加載行程為100 mm。加載的初始位置是試件的左端距加載頭最左端50 mm處，這樣在水平運動的中間時刻，可使加載頭的中間位置與試件的中間位置重合，整個加載過程對稱。在豎直方向上，為了盡量模擬橡膠密封件實際工作時的壓縮情況，同時要使加載力的數值保持在合適的范圍內、實驗結果有較高的精度，對于不同型號的試件，采用不同的加載量。

2 動摩擦實驗結果及分析

2.1 不同溫度下的動摩擦系數

為了測量溫度對橡膠密封件動摩擦性能的影響，實驗分別對1#試件和2#試件在高溫(100 ℃、60℃)、常溫(20 ℃)和低溫(-20 ℃、-50 ℃)下的動摩擦性能進行了測量。其中1#試件豎直加載量為9 mm，選用圓弧型加載頭加載，2#試件加載量為10 mm，選用平底加載頭加載。圖4(a)～圖4(e)分別是1#試件在100 ℃、60 ℃、20 ℃、-20 ℃和-50 ℃下的正壓力-時間曲線、摩擦力-時間曲線和動摩擦系數-時間曲線。圖5(a)～圖5(c)分別是2#試件在100 ℃、60 ℃、20 ℃、-20 ℃和-50 ℃下的正壓力-時間曲線、摩擦力-時間曲線和動摩擦系數-時間曲線。

由圖4(a)～圖4(e)和圖5(a)～圖5(e)中正壓力-時間曲線可見，正壓力隨時間都呈下降的趨勢。這是因為橡膠是整個結構的主要承力材料，而橡膠材料是一種高分子聚合物，具有超彈性與粘彈性。動摩擦性能測試時，豎直方向上對橡膠密封件的加載位移不變，則在豎直方向上，試件出現了應力松弛現象。應力松弛是指在一定的溫度下，材料保持恒定變形時，應力隨著時間的增加而逐漸衰減的現象。幾乎所有的材料都具有應力松弛的特性，但對于像橡膠這類具有粘彈性的高分子材料，其應力松弛現象很明顯，在較短的時間內，應變不變而應力下降，進而導致正壓力隨時間呈下降的趨勢。

圖4 1#試件在不同溫度下動摩擦曲線Fig. 4 The dynamic friction curve of the No.1 specimen under different temperatures

圖5 2#試件在不同溫度下動摩擦曲線Fig. 5 The dynamic friction curve of the No.2 specimen under different temperatures

表1 不同溫度下的動摩擦系數Table 1 Dynamic friction coefficient under different temperatures

通過表1 中的數據可見，兩種型號橡膠密封件動摩擦系數均隨著溫度的降低而明顯地升高了。由此可見，橡膠密封件的動摩擦系數具有強烈的溫度依賴性。溫度降低，橡膠密封件表面的纖維織物變得剛硬，對加載頭的阻礙作用更強，動摩擦系數就越大。

2.2 不同壓縮量下的動摩擦系數

采用2.1 節水平加載的方式，選用長500 mm的圓弧型加載頭對3#試件進行不同豎直加載量下動摩擦系數的研究。通過測試，并使用與2.1 節相同的取平均值法，分別得到了3#試件在4 mm、8 mm、12 mm 和16 mm 下的動摩擦系數，圖6為3#試件在不同壓縮量時的動摩擦曲線。表2 中列出了各加載量下的動摩擦系數。

通過實驗發現，橡膠密封件的正壓力隨著加載量的增加逐漸上升。當加載量達到16 mm 時，摩擦系數比其他加載量下的摩擦系數更大。這是因為此時3#試件發生了較大的變形，試件變形后圓弧加載頭兩側的部分已經與試件接觸。接觸區域增大造成了加載頭在橡膠密封件表面滑動過程中受到的摩擦力增大。但是對于其他加載量下橡膠密封件的動摩擦系數變化并不呈現明顯的規律。壓縮量的變化引起了接觸力大小及分布、接觸面積和接觸方式等因素的變化，從而導致動摩擦系數的變化。壓縮量并不是與動摩擦系數唯一相關的量，故兩者之間的變化關系較復雜。對不同工況下的橡膠密封件，應盡量通過實驗獲得動摩擦性能。

2.3 不同表面處理情況下的動摩擦系數

分別對1#試件和2#試件進行表面處理，測量處理前后摩擦系數的變化。圖7(a)～圖7(d)分別是1#試件表面未處理、粘有沙塵、沾有油污以及沾有沙塵和油污時的照片，圖8(a)～圖8(d)分別是2#試件表面未處理、粘有沙塵、沾有油污以及沾有沙塵和油污時的照片。粘有沙塵后，試件明顯變白；而沾有油污后，試件表面發亮；而油污和沙塵同時作用時，試件上有明顯的黃色沙粒。沙塵或油污的涂覆區域為橡膠密封件與加載頭接觸區域。涂覆時，要保證涂覆區域均粘有沙塵或油污，油污厚度為0.5 mm，沙塵厚度為0.7 mm～0.8 mm。

圖9 和圖10 分別是1#試件和2#試件表面未處理、表面粘上沙塵、表面涂有油污以及表面涂有沙塵和油污的動摩擦曲線圖。通過實驗測量，并采用與2.1 節中提出的取平均值法便可得出了未經處理和經過不同表面處理時橡膠密封件的動摩擦系數，如表3 所示。

由表3 中數據可以看出，對1#試件和2#試件，沙塵、油污或兩者綜合作用都能顯著改變橡膠密封件的動摩擦系數。由表3 可見，對于1#試件和2#試件，粘上沙塵后，試件的動摩擦系數分別增加了63.7%和129.2%。1#試件的動摩擦曲線上有明顯的凸起，產生的原因是沙塵附著在試件表面上，開始滑動時，加載頭與試件既發生靜摩擦，又發生滑動摩擦；當滑動一小段后，有些沙塵顆粒較大，在加載頭作用下沙塵在試件表面滾動起來，所以很快摩擦力表現出一定的下降。但綜合起來看，試件表面纖維相對于沙塵太粗糙，起阻礙相對運動的作用更加強烈一些，最終表現出動摩擦系數增大。而2#試件的動摩擦曲線上沒有類似1#試件的凸起，產生這種差別的原因是因為1#試件使用的是圓弧加載頭，加載后附著在試件表面上的沙塵不會因為試件形狀改變而脫落，反而因為變形，使試件將加載頭包圍起來，兩者之間接觸更加緊密。而對于2#試件，使用的是平底加載頭，滑動時附著不牢的很多沙塵會脫落，而不會在加載頭與試件間形成較多可滾動的沙粒。因此，加載頭與試件上的沙塵主要是滑動摩擦，增大動摩擦系數的效果也更加明顯一些。涂上油污后，動摩擦系數不僅沒有減小，反而增大了。這說明油污也能增加橡膠密封件的動摩擦系數，這與常理中油、水等減小摩擦系數的規律不同。這里主要是受紡織纖維的影響，因為對于纖維來說，一般濕態下的滑動摩擦要高于干態下的滑動摩擦。油污使得纖維處于濕態，從而影響摩擦性能。而當同時有油污和沙塵時，動摩擦系數大大增加。主要是由于油污促使更多的沙塵吸附在試件上，與加載頭產生滑動摩擦力，所以，相對于只有沙塵的試件，動摩擦系數更大。

表2 不同加載量下密封件動摩擦系數Table 2 Dynamic friction coefficient under different compression displacements

圖7 1#試件表面處理前與處理后的對比Fig. 7 Comparison of different surface treatment of No.1 specimen

圖8 2#試件表面處理前與處理后的對比Fig. 8 Comparison of different surface treatment of No.2 specimen

圖9 2#試件不同表面處理時的動摩擦曲線Fig. 9 The dynamic friction curve of the No.2 specimen under different surface treatments

圖10 2#試件不同表面處理時的動摩擦曲線Fig. 10 The dynamic friction curve of the No.2 specimen under different surface treatments

圖11(a)和圖11(b)分別是1#試件和2#試件經過沙塵和油污處理后的表面放大圖。圖中呈線狀和束狀的材料是橡膠密封件表面紡織物的纖維和編織束，顆粒狀的材料就是橡膠密封件表面粘上的沙塵。在油污的作用下，不少沙塵顆粒粘在一起，有的則嵌入到橡膠或纖維束中，這些沙塵顆粒不僅會增大橡膠密封件表面的摩擦系數，也會加快橡膠密封件的磨損。對密封件的密封性能也有一定的影響。所以，保證橡膠密封件的表面潔凈是十分重要的。

表3 不同表面處理時橡膠密封件動摩擦系數Table 3 Dynamic friction coefficient under different surface treatments

圖11 沙塵在橡膠密封件表面的分布的放大圖Fig. 11 Magnified view of the dust on the surface of rubber seals

3 結論

本文實驗研究了橡膠密封件在不同環境因素下的動摩擦性能，基于庫侖-摩擦定律，得到了相應條件下的動摩擦系數。綜合上述實驗結果和分析，橡膠密封件動摩擦性能的主要結論有：

(1) 高低溫動摩擦實驗機能夠有效地測量飛機艙門橡膠密封件在不同溫度、壓縮量下以及不同表面處理條件下的動摩擦性能。

(2) 橡膠密封件動摩擦性能具有強烈的溫度依賴性。動摩擦系數隨著溫度升高而降低。

(3) 改變加載量大小通過影響接觸力和接觸面積來影響橡膠密封件動摩擦系數，兩者相互影響，造成橡膠密封件動摩擦性能并不與壓縮量呈明顯的單調變化關系。

(4) 橡膠密封件表面處理情況對其動摩擦系數影響很大。油污、沙塵均可增加橡膠密封件的動摩擦系數。