大尺寸O形丁腈橡膠圈動密封性能測試分析*

王清清 馬國鷺 曾國英 謝 強 何 林 袁永潤

(1.西南科技大學制造過程測試技術教育部重點實驗室 四川綿陽 621010；2.中國空氣動力研究與發展中心 四川綿陽 621000)

大尺寸O形圈廣泛應用在船舶機械、石油泵送、武器裝備等大型裝備系統中，其動密封性能是重型氣動或液壓裝備動密封保障的設計依據[1-3]。O形圈尺寸大小對其密封性能具有一定的影響，尺寸越大其加工工藝、加工成本、安裝精度要求越高，密封越困難[4]。丁腈橡膠是動密封O形圈最通用材料，特別是對密封件有一定耐油性、耐老化、抗撕裂等要求的工況場景下應用廣泛[5-6]。

目前針對O形圈動密封特性研究，更多聚焦在內徑尺寸600 mm以下。譬如,吳瓊等人[7]設計了往復式標準試驗臺，以內徑190 mm的丁腈橡膠O形圈為研究對象，對不同工況下O形圈的摩擦性能進行了分析。顧東升等[8]研制了一種靜環用O形圈性能試驗裝置，對內徑分別為60、70、80 mm的O形丁腈橡膠圈進行靜態密封性能測試，分析了各因素對密封圈接觸應力和泄漏量的影響。楊森等人[9]設計了一套O形圈的多性能測試試驗裝置，通過實驗測試分析了內徑為50 mm的O形丁腈橡膠密封圈的泄漏特性。另外，目前O形圈密封特性分析方法更多的是采用有限元計算的方式。例如LINDLEY和KARASZKIEWICZ[10-11]基于Hertz接觸角理論建立了O形密封圈的接觸角長度以及最大接觸角應力的相關數學模型，在衡量O形圈密封可靠性方面起到重要的作用。周志鴻等[12]利用ANSYS對O形圈在不同壓縮率和油壓下的變形與受力情況進行了分析，得出相應情況下von Mises應力分布及接觸壓力與最大壓力的變化關系。譚晶等人[13]利用ANSYS建立液壓缸用O形圈的二維軸對稱模型，分析計算了密封間隙、槽口半徑、截面尺寸、材料參數、預壓縮率對密封面最大接觸應力與剪切應力的影響。

大尺寸O形圈密封性能受加工工藝、加工精度、安裝精度等方面影響，理論分析無法全面提供直接數據。因此，本文作者設計大尺寸O形密封圈動密封性能測試平臺，分析介質壓力、壓縮量、轉速對O形圈泄漏量及端面摩擦轉矩的影響，為大尺寸O形密封圈動密封性能測試提供可靠的測試方法和解決途徑。

1 水介質密封試驗平臺

研制的水介質密封試驗平臺系統原理圖如圖1所示，主要組成部分及功能如下。

試驗主機：它是水介質密封試驗平臺的主體部分，其結構簡圖如圖2所示。試驗主機設有進水口、出水口及2個泄漏口。其中密封轉子上下兩端設有試驗密封圈安裝槽，上下試驗密封圈安裝后，密封圈將試驗腔分作3個密封腔室。中間密封腔室通過進水口與儲氣罐連通，上密封腔室和下密封腔室分別通過一根金屬波紋管和泄漏口1和泄漏口2相連接，泄漏口1和泄漏口2分別通過一根塑料軟管和泄漏量收集量筒相連接。通過間隙量調整墊圈和間隙量調整套筒對O形密封圈壓縮量進行精準調控。

水介質供應單元：主要由空壓機、儲氣罐、柱塞水泵、水箱組成，如圖1所示。試驗前水介質供應單元完成試驗主機試驗腔室和儲氣罐的充水功能，試驗過程中提供不同壓力的水介質，試驗完成后將水介質抽回水箱。通過各個器件和管路閥門的結合使用，水介質供應單元可以實現15～600 kPa的壓力調控。

轉矩轉速傳感器及其數據采集儀：試驗平臺選用的是蘭菱機電科技有限公司的ZJ-500A轉矩轉速傳感器和TR-3S轉矩轉速采集儀，用以實現密封圈轉速和端面摩擦轉矩的測量。其中傳感器的轉矩量程為±500 N·m，轉速量程為0～3 000 r/min，精度等級為±0.20%F.S。轉矩轉速傳感器一端與空心軸式蝸桿減速器相連，另一端與試驗主軸連接，其中試驗O形密封圈端面摩擦轉矩可以通過試驗中測得的主軸轉矩與空載時主軸轉矩相減獲得。

壓力測量單元：購置的壓力表為西安高精度儀表廠的型號為GJM-100的精密數字壓力表，壓力測量范圍為0～1.5 MPa(絕對壓力)，精度等級為0.5%F.S。壓力表直接和儲氣罐相連接,可以實時顯示系統加載壓力。為了方便敘述,文中所涉及壓力都為絕對壓力。

泄漏量測量單元：采用不同規格的玻璃量筒進行泄漏水收集，并結合不同滴定精度的滴定管進行滴定測量。

2 O形密封圈動密封性能試驗測試

2.1 試驗O形密封圈

測試O形密封圈為寧波久興密封科技有限公司定制，材料為丁腈橡膠(NBR)，密封圈規格為600 mm×10 mm(內徑×截面直徑)，其尺寸結構及安裝示意圖如圖3所示。為保證測試數據的準確性，測試用O形丁腈橡膠密封圈均選用經過檢驗合格的同一批次物料，保證樣品一致性。

2.2 O形密封圈正交試驗方案設計

為了探究介質壓力、密封圈壓縮量、轉速對大尺寸O形丁腈橡膠密封圈動密封性能的影響，采用正交試驗設計方案[14-15]。參考文獻[16-17]和相關設計手冊，文中正交試驗選用的介質壓力取值范圍為15～600 kPa,壓縮量取值范圍為0.75～1.25 mm,轉速取值范圍為5～50 r/min。

以介質壓力(A)、密封圈壓縮量(B)、轉速(C)為試驗因素，其中介質壓力選取15、300、600 kPa這3個水平；密封圈壓縮量選取0.75、1.00、1.25 mm這3個水平；轉速選取5.0、24.0、48.0 r/min這3個水平。構建L9(31×31)正交試驗方案如表1所示。

表1 O形圈正交試驗方案

2.3 O形密封圈試驗測試

搭建如圖4所示的密封試驗平臺，基于上述試驗方案進行試驗測試。為減少試驗之間的相互影響，提高試驗結果的有效性，每種工況下均進行4次重復試驗。每次試驗都采用2個新的密封圈進行測試，時長均為3 h，記錄上下密封腔室泄漏量以及試驗過程中O形圈的端面摩擦轉矩，每組數據做均值處理。

表2 試驗結果與極差分析

由表2還可知，對于泄漏量而言介質壓力、壓縮量、轉速的極差分別為27.8、2.98、0.88，各影因素對O形圈泄漏量的貢獻量占比分別為87.8%、9.4%、2.8%；對于端面摩擦轉矩而言介質壓力、壓縮量、轉速的極差分別為143.07、15.33、18.10，各影因素對O形圈摩擦轉矩的貢獻量占比分別為81.1%、8.7%、10.2%。基于上述試驗結果，將進一步具體分析各因素對大尺寸O形密封圈動密封性能的影響。

3 O形密封圈泄漏量及摩擦轉矩影響分析

3.1 各因素對O形密封圈泄漏量的影響

圖5(a)、(b)、(c)分別示出大尺寸O形密封圈密封端面泄漏量隨介質壓力、轉速、密封圈壓縮量的變化曲線。可以看出，介質壓力由15 kPa逐漸增大至600 kPa時，O形密封圈密封端面泄漏量呈近似線性關系增大，在研究的壓力范圍內泄漏量最大增大了452%。這是由于隨著介質壓力的增大，O形密封圈受到更大的擠壓力，產生的彈性變形量增大，進而導致接觸壓力增大;但在文中測試壓力范圍內，O形密封圈產生的接觸壓力小于介質壓力，造成O形密封圈密封端面泄漏。在5～50 r/min轉速范圍內,O形密封圈密封端面泄漏量隨轉速的增大呈增大趨勢，在研究的轉速范圍內，泄漏量最大變化量為10.8%，轉速對泄漏量影響不大。這是由于轉速增大會使得密封面水介質離心力增大，加速水介質沿O形圈徑向的流動，從而增大泄漏量，但O形密封圈密封面徑向密封面小，固離心作用不明顯，泄漏量增加不大。密封圈壓縮量在0.75～1.25 mm范圍內，O形密封圈密封端面泄漏量隨壓縮量的增大呈減小趨勢，在研究的密封圈壓縮量范圍內，泄漏量最大減小了29.9%，壓縮量對泄漏量影響較小。這是因為密封圈壓縮量增大，會使得密封圈彈性變形量增大，接觸壓力增大，導致密封圈泄漏量減少，但由于丁腈橡膠材料具有不可壓縮性，在0.75～1.25 mm范圍內壓縮幅度不大，故泄漏量減小程度較小。

3.2 各因素對O形密封圈摩擦轉矩的影響

圖6(a)、(b)、(c)分別示出大尺寸O形密封圈端面摩擦轉矩隨介質壓力、轉速、密封圈壓縮量的變化曲線。可知，O形密封圈端面摩擦轉矩隨介質壓力、轉速、密封圈壓縮量的增大呈增大趨勢，其中密封圈端面摩擦轉矩對介質壓力更加敏感。從圖6(a)可以看出，當介質壓力由15 kPa上升至600 kPa時，端面摩擦轉矩增大了62.6%。這是由于增大介質壓力導致O形密封圈彈性變形增大，接觸壓力增大，進而導致O形密封圈端面摩擦轉矩增大。從圖6(b)可以看出，當轉速在5～50 r/min范圍內，端面摩擦轉矩最大變化量為6.1%，表明轉速對端面摩擦轉矩影響不大。這是由于轉速增大使得流體剪切轉矩增大，進而使得摩擦轉矩增大，但在5～50 r/min范圍內，轉速變化較小，進而摩擦轉矩增加不明顯。從圖6(c)可以看出，當密封圈壓縮量由0.75 mm增加到1.25 mm時，端面摩擦轉矩增大了5.4%，表明壓縮量對端面摩擦轉矩影響較小。這和O形密封圈本身材料屬性有關，丁腈橡膠具有不可壓縮性，壓縮量在0.75～1.25 mm范圍內，O形圈壓縮幅度較小，固摩擦轉矩增大較小。

4 結論

基于研制的大尺寸O形橡膠圈動密封性能測試的試驗平臺，對內徑600 mm(截面直徑10 mm)的O形丁腈橡膠密封圈進行了不同工況下的動密封性能試驗測試，并分析各因素對O形圈泄漏量及端面摩擦轉矩的影響。試驗結果表明，介質壓力、壓縮量、轉速都對O形圈的端面動密封性能有一定的影響，具體結論如下：

(1)水介質壓力由負壓(-85 kPa)變化為正壓(500 kPa)時，泄漏量從-6.15 mL/h近似線性增大到21.65 mL/h；在轉速低于50 r/min時泄漏量基本恒定，轉速從5 r/min增大至50 r/min時，泄漏量波動范圍為8.03～8.92 mL/h；壓縮量由0.75 mm增大至1.25 mm時，泄漏量減小了29.9%。

(2)水介質絕對壓力由15 kPa上升到600 kPa時，端面摩擦轉矩從225.18 N·m線性增大到368.25 N·m；轉速在5～50 r/min范圍內，端面摩擦轉矩最大變化量為6.1%；壓縮量由0.75 mm增加到1.25 mm時，端面摩擦轉矩增大了5.4%。

(3)通過對大尺寸O形密封圈正交試驗結果極差分析，得出對泄漏量影響的主次順序為介質壓力、壓縮量、轉速，對端面摩擦轉矩影響的主次順序為介質壓力、轉速、壓縮量。其中介質壓力、壓縮量、轉速對泄漏量的貢獻量占比分別為87.8%、9.4%、2.8%，對端面摩擦轉矩的貢獻量占比分別為81.1%、8.7%、10.2%。