許治國，周安偉，王曉英，劉 婷，楊菊輝

（中國工程物理研究院 化工材料研究所，四川 綿陽 621999）

橡膠密封圈為擠壓型密封件，靠外力裝配壓緊，當(dāng)其裝入密封槽后，截面承受接觸壓縮應(yīng)力而產(chǎn)生彈性變形，對接觸面產(chǎn)生一定的初始接觸壓力，利用密封面上的比壓使介質(zhì)通過密封面的阻力大于密封面兩側(cè)的介質(zhì)壓力差，從而實(shí)現(xiàn)密封。常用輔助密封圈的形狀有O形、V形、矩形、X形和L形。工業(yè)上使用最多的是O形圈。

橡膠密封圈在使用過程中受裝配壓力、流體壓力、拉伸和摩擦力共同作用，其性能只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷或進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，無法得知實(shí)際受力情況，也無法預(yù)判密封性能。

橡膠密封圈的壓縮、拉伸和磨耗性能是決定其密封性能的關(guān)鍵因素。其中拉伸和磨耗性能測試可以參考相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，但國家標(biāo)準(zhǔn)中橡膠試樣壓縮性能測試是開放空間、單向壓縮測試，與橡膠密封圈的受力情況有較大差異，難以測試橡膠密封圈壓縮性能，因此不能準(zhǔn)確判斷橡膠密封圈的密封性能。

本文介紹一種橡膠密封圈密封性能的預(yù)判方法，通過測定橡膠密封圈在使用過程中應(yīng)力-應(yīng)變的變化關(guān)系，判定其密封性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試樣制備

將橡膠、炭黑、硫黃及硫化助劑在開煉機(jī)上混煉均勻，分別將環(huán)形膠料和圓柱狀膠料放入成型模具中，加壓硫化成型，即得橡膠密封圈和橡膠壓縮性能測試樣品。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

橡膠試樣壓縮性能測試裝置和橡膠密封圈壓縮性能測試裝置，中國工程物理研究院自制；INSTRON 5582材料試驗(yàn)機(jī)，英斯特朗（上海）試驗(yàn)設(shè)備貿(mào)易有限公司產(chǎn)品。

2 測試原理

橡膠密封圈在使用過程中，一般處于軸向、徑向受壓環(huán)境，其受力模型如圖1所示。

圖1 橡膠密封圈幾何模型

橡膠密封圈的加載壓力是決定密封性能的關(guān)鍵因素。

橡膠材料的壓縮應(yīng)力應(yīng)變性能測試可以參照GB/T 7757—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠壓縮應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》，采用Ф29.0 mm 12.5 mm的橡膠圓柱體在材料試驗(yàn)機(jī)上，以10 mm min-1速度加載至壓縮率為25%，得到軸向加載的壓縮力（F）與軸向壓縮變形（ε）的關(guān)系曲線。橡膠圓柱體壓縮應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D2所示。

圖2 橡膠圓柱體壓縮應(yīng)力應(yīng)變示意

按照國家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于橡膠試樣壓縮性能測試方法，只能測得軸向壓力與軸向變形的關(guān)系，無法測量徑向壓力與徑向變形的關(guān)系，因此不能建立橡膠試樣各方向力和變形間的關(guān)系。

對于約束空間的橡膠圓柱體及橡膠密封圈的壓縮應(yīng)力應(yīng)變性能，沒有相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)可供執(zhí)行和參考。為此，設(shè)計(jì)了一種如圖3所示的橡膠試樣壓縮性能測試裝置。該裝置設(shè)計(jì)加工了系列約束套筒（Ф31.0～34.0 mm），在套筒側(cè)面設(shè)計(jì)滑塊與測力傳感器相連，將橡膠試樣壓縮性能測試裝置連接至材料試驗(yàn)機(jī)上，參照GB/T 7757—2009進(jìn)行測試。使用該裝置可以測試橡膠密封圈的軸向壓力、徑向壓力、軸向壓縮應(yīng)變間的關(guān)系。由于約束壓縮裝配剩余空間很小，因此試驗(yàn)加載速度可降低至1 mm min-1。

圖3 橡膠試樣壓縮性能測試裝置

橡膠密封圈壓縮性能測試方法為：將橡膠密封圈放入壓縮性能測試裝置中，位于側(cè)面的滑塊與測力傳感器相連，將橡膠密封圈壓縮性能測試裝置連接至材料試驗(yàn)機(jī)上，試驗(yàn)加載速度為1 mm min-1。橡膠密封圈壓縮性能測試裝置如圖4所示。

圖4 橡膠密封圈壓縮性能測試裝置

圖3和4所示的壓縮性能測試裝置均采用圖形化編程LabVIEW語言編制專用測試軟件，各項(xiàng)壓力傳感器和位移傳感器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)均通過數(shù)據(jù)器采集，所有數(shù)據(jù)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)繪圖、疊加并顯示在電腦屏幕上。

3 結(jié)果與討論

3.1 橡膠試樣壓縮性能測試

橡膠試樣在按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮性能測試（開放空間）時(shí)，試樣會逐步向周邊膨脹成腰鼓形。通過位移傳感器可以實(shí)時(shí)測定橡膠試樣的徑向膨脹量與軸向加載量的關(guān)系曲線：橡膠試樣的徑向膨脹量與軸向加載量呈線性相關(guān)。

當(dāng)使用不同直徑的約束套筒對橡膠試樣進(jìn)行壓縮性能測試時(shí)，材料試驗(yàn)機(jī)加載的軸向壓力與軸向位移的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 約束壓縮測試中橡膠圓柱體軸向壓力與軸向位移的關(guān)系

從圖5可以看出：使用約束套筒對橡膠試樣進(jìn)行壓縮性能測試時(shí)，試樣會先徑向膨脹成腰鼓形；當(dāng)試樣膨脹接觸到套筒后將無法繼續(xù)膨脹，繼續(xù)加載直至試樣填滿剩余空間；當(dāng)試樣壓實(shí)后，徑向無法膨脹，橡膠作為一種體積不可壓縮的彈性體，軸向壓力將迅速上升。

橡膠試樣軸向壓力、徑向壓力與軸向位移的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 約束壓縮橡膠試樣軸向壓力、徑向壓力與軸向位移的關(guān)系曲線

從圖6可以看出，壓縮加載時(shí)橡膠試樣發(fā)生徑向膨脹，約束套筒直徑越小，在進(jìn)行小壓縮量壓縮時(shí)試樣越易接觸套筒滑塊，測力傳感器越快測得徑向壓力。使用Ф31 mm約束套筒，當(dāng)材料試驗(yàn)機(jī)壓縮加載0.85 mm時(shí)，徑向壓力出現(xiàn)；使用Ф34 mm約束套筒，材料試驗(yàn)機(jī)則需壓縮加載至2.78 mm，才測得徑向壓力。

通過對比不同配方工藝的橡膠試樣在壓縮性能測試過程中軸向壓力與徑向壓力的關(guān)系曲線，可以初步判斷橡膠材料是否適合制備橡膠密封圈。橡膠試樣在相同軸向壓力作用下，徑向壓力越大，橡膠材料的密封性能越好。

3.2 橡膠密封圈壓縮性能測試

使用橡膠密封圈壓縮性能測試裝置對橡膠密封圈的軸向壓力、徑向壓力與軸向位移進(jìn)行測試，關(guān)系曲線如圖7和8所示。由圖7和8可知，軸向壓力、徑向壓力隨壓縮軸向位移的增加而逐步增大。

將圖7和8建立對應(yīng)關(guān)系，可以得到在相同軸向位移時(shí)軸向壓力與徑向壓力的關(guān)系曲線，如圖9所示。

圖7 橡膠密封圈壓縮性能測試中軸向壓力與軸向位移的關(guān)系曲線

圖8 橡膠密封圈壓縮性能測試中徑向壓力與軸向位移的關(guān)系曲線

圖9 橡膠密封圈壓縮性能測試中軸向壓力與徑向壓力關(guān)系曲線

橡膠密封圈常用于支承、密封等使用環(huán)境，裝配后剩余空間很小，甚至為過盈配合。一旦受到某個方向的力產(chǎn)生壓縮變形，同時(shí)會產(chǎn)生垂直方向的應(yīng)力。

從圖9可以看出，橡膠密封圈的徑向壓力隨軸向壓力增加而逐步增大，應(yīng)力曲線呈非線性。應(yīng)力曲線與橡膠密封圈的截面形狀、橡膠材料性能密切相關(guān)。

通過對比不同配方工藝及截面形狀的橡膠密封圈在壓縮性能測試過程中軸向壓力與徑向壓力的關(guān)系曲線，可以對橡膠密封圈的密封性能進(jìn)行初步判斷。橡膠密封圈在相同軸向壓力作用下，徑向壓力越大，密封性能越好。

4 結(jié)語

綜上所述，通過設(shè)計(jì)加工測試工裝，安裝壓力傳感器和位移傳感器，可以測得橡膠試樣及橡膠密封圈在使用過程中應(yīng)力-應(yīng)變的實(shí)時(shí)變化關(guān)系。測試精度及測試結(jié)果重復(fù)性較好，解決了橡膠密封圈壓縮性能無法考核的問題。

橡膠試樣及橡膠密封圈在約束壓縮性能測試過程中，軸向壓力相同時(shí)，徑向壓力越大，橡膠材料的密封性能越好。

使用本測試方法，可以對不同配方橡膠材料及不同截面形狀橡膠密封圈的密封性能進(jìn)行初步預(yù)判，同時(shí)為各類橡膠密封圈的研制生產(chǎn)提供試驗(yàn)依據(jù)，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。