聶佳，滕燕

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094)

0 引言

相容性是指潤滑劑與其他各種材料(如橡膠、塑料、金屬等)接觸時(shí)起相互作用的程度，是評(píng)判潤滑劑與橡膠密封材料相互配合以達(dá)到有效的潤滑與密封的重要指標(biāo)之一。當(dāng)兩者相容性較差時(shí)，密封材料會(huì)在工作過程中發(fā)生溶脹或收縮等現(xiàn)象，使之體積、強(qiáng)度、硬度以及延伸率的變化，造成系統(tǒng)的泄漏、空氣混入以及密封材料的加速老化與失效。

目前進(jìn)行相容性研究的主要方法是相容性浸泡試驗(yàn)，國外的氣動(dòng)行業(yè)在這方面的研究開展較早，并且已經(jīng)有了一系列的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[1] 介紹了ATF潤滑油與橡膠材料相容性的評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)，分別是ASTMD471方法、GM6297M/6417M方法、GMN10055/N10060方法以及ASTMD2000方法。文獻(xiàn)[2] 對(duì)不同牌號(hào)的丁腈橡膠與各類液壓油的相容性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3] 按照德國的氣動(dòng)行業(yè)對(duì)于潤滑劑與橡膠密封材料相容性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)(DIN53504標(biāo)準(zhǔn))，進(jìn)行了潤滑劑與密封彈性材料兼容性的研究。文獻(xiàn)[4] 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CEC-L-39-96研究了基礎(chǔ)油種類、黏度改進(jìn)劑、分散劑清凈劑及抗氧化劑等成分對(duì)潤滑劑與氟橡膠、丙烯酸酯橡膠、硅橡膠以及丁腈橡膠四類橡膠材料的相容性的影響。文獻(xiàn)[5] 對(duì)于丙烯腈含量不同的丁腈橡膠與苯胺點(diǎn)不同的潤滑油進(jìn)行了相容性試驗(yàn)，分別在試驗(yàn)裝置敞開與密閉、溶劑與橡膠體積比等參數(shù)不同的條件下進(jìn)行了多次重復(fù)測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為1 008h。

但現(xiàn)有的研究并未將橡膠材料受潤滑劑相容性的影響與氣缸工作性能的變化聯(lián)系起來，對(duì)氣缸的潤滑優(yōu)化幫助較小。因此，本文從相容性出發(fā)，對(duì)O型圈與潤滑劑的相容性對(duì)于氣缸工作性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為日后氣缸中的潤滑優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 相容性試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)所使用的設(shè)備為：AGS-X10KN拉伸機(jī)進(jìn)行相容性試驗(yàn)有兩個(gè)目的：一是將標(biāo)準(zhǔn)橡膠試樣與潤滑劑進(jìn)行靜態(tài)浸泡試驗(yàn)，以測(cè)試橡膠試樣硬度、體積及拉伸性能等特性的變化，得到在不同環(huán)境下，不同潤滑劑對(duì)橡膠密封材料性能的影響規(guī)律；二是提供經(jīng)潤滑油浸泡過的O型圈，以分析O型圈不同特性的變化對(duì)氣缸工作性能的影響。本次相容性試驗(yàn)的橡膠材料有兩種類型，分別為標(biāo)準(zhǔn)啞鈴狀橡膠試樣及O型橡膠圈。由于試驗(yàn)氣缸中所使用的O型圈材料均為丁腈橡膠，因此相容性試驗(yàn)中的橡膠材料也選用丁腈橡膠。根據(jù)相容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，每組試驗(yàn)的橡膠試樣包括3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)啞鈴狀試樣以及5個(gè)O型圈。

按照相似相溶原理，丁腈橡膠分子為極性分子，需要選取非極性潤滑油進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，非極性的礦物油在氣動(dòng)系統(tǒng)中的使用較為廣泛，所以選擇礦物油作為試驗(yàn)所用的潤滑劑。按照硫含量、飽和烴含量及黏度指數(shù)等指標(biāo)，可以將礦物基礎(chǔ)油分為5類，在本次試驗(yàn)中，選取Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅳ類潤滑油，牌號(hào)分別為HVI400、HVIWH200以及PAO166。

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1690-2010進(jìn)行試驗(yàn)。每組試驗(yàn)前在標(biāo)準(zhǔn)橡膠板上沿垂直紋理方向用啞鈴切刀切8個(gè)試樣，分為5個(gè)參比樣，3個(gè)試樣。用排水法測(cè)量試驗(yàn)片在浸泡前的體積(V0)，取3個(gè)試驗(yàn)片的平均值。擦干試片后，測(cè)量試驗(yàn)片浸泡前的硬度(H0)，取3個(gè)試驗(yàn)片的平均值。

試驗(yàn)溫度分別為室溫20 ℃、40 ℃以及55 ℃。在每種溫度條件下，分別秤取(270±1)g，3種潤滑油加入到3個(gè)燒杯中，在每個(gè)燒杯上做好記號(hào)。用不銹鋼絲將試樣懸掛在支架上，保證試樣完全浸沒在油中，且試樣之間及與杯壁間不接觸，試樣表面無氣泡。試驗(yàn)時(shí)間按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1690-2010的要求，選取24h的整倍數(shù)168h，在試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到后將試樣取出，將試樣表面殘留液體完全擦干，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成硬度(Hi)、體積(Vi)以及拉伸性能的測(cè)試，并將浸泡之后的O型密封圈放置待用。

拉伸性能的測(cè)試根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T528進(jìn)行，橫梁移動(dòng)速度為(500±50)mm/min，分別測(cè)試3個(gè)試樣的斷裂拉伸強(qiáng)度的平均值(Ti)和拉斷伸長(zhǎng)率的平均值(Ei)，5個(gè)參比樣的斷裂拉伸強(qiáng)度平均值(T0)和拉斷伸長(zhǎng)率的平均值(E0)。按照下列公式計(jì)算硬度變化、體積變化率、斷裂拉伸強(qiáng)度變化率和拉斷伸長(zhǎng)率變化率：

硬度變化：ΔH=Hi-H0

斷裂拉伸強(qiáng)度與拉斷伸長(zhǎng)率變化：

1.3 相容性試驗(yàn)結(jié)果分析

在各項(xiàng)測(cè)量中，未經(jīng)過相容性試驗(yàn)的橡膠試樣的硬度測(cè)量結(jié)果為75.3IRHD，平均體積為1 250cm3，斷裂拉伸強(qiáng)度為22.57MPa，拉斷伸長(zhǎng)率為392.7%。相容性試驗(yàn)后的橡膠試樣的各項(xiàng)參數(shù)變化如表1所示。

表1 不同潤滑油對(duì)橡膠材料性能的影響

由表1中可以看到，由于試驗(yàn)中使用了非極性的潤滑劑，3種潤滑油對(duì)于各組橡膠試樣的影響均較小。除了拉斷伸長(zhǎng)率以外，在室溫情況下，橡膠試樣其他各項(xiàng)性能的變化率均在±5%以下，即使在溫度較高的情況下，各項(xiàng)性能參數(shù)的變化率最大也不超過±10%。因此，與極性潤滑油相比，非極性潤滑油在不同溫度下與丁腈橡膠的相容性較好。但是，即使橡膠試樣的性能受到的影響較小，不同類型及成分的潤滑油對(duì)于橡膠試樣各項(xiàng)性能的影響是有差異的。圖1分別對(duì)比了橡膠試樣體積、硬度以及拉伸性能的變化。

由圖1可知，I類與II類潤滑油對(duì)橡膠材料的各類性能參數(shù)的影響類似，而II類潤滑油的影響更小。這是由于II類潤滑油通過加氫工藝生產(chǎn)，含有的極性物質(zhì)更少。

I類與II類潤滑油中的主要成分為飽和烴，在與橡膠材料的浸泡過程中，橡膠試樣吸入潤滑油的量大于橡膠試樣中溶解出的添加劑的量，較小的油分子滲入到橡膠大分子的空隙中間，使得大分子的結(jié)構(gòu)被撐大，大分子鏈之間氫鍵的鍵能減小，最終導(dǎo)致橡膠材料的體積增大、硬度減小，抗拉伸能力減弱。

而對(duì)于IV類潤滑劑而言，由于其主要成分為合成油聚α烯烴，其對(duì)橡膠材料各類性能參數(shù)的影響略有不同。當(dāng)被浸泡在IV潤滑油中時(shí)，丁腈橡膠吸入潤滑油的量小于溶解在潤滑油中的橡膠添加劑的量，內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被壓縮，橡膠試樣內(nèi)部分子鏈的自由度變小，導(dǎo)致其體積減小、硬度增大、拉斷伸長(zhǎng)率減??；而體積增大使得內(nèi)部的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被壓縮，增大了網(wǎng)狀鏈結(jié)構(gòu)中的相互作用力，使得其抗拉伸能力有所增強(qiáng)，所以其斷裂拉伸強(qiáng)度增大。

圖1 不同潤滑油對(duì)橡膠試樣的體積、硬度、 拉斷伸長(zhǎng)率與斷裂拉伸強(qiáng)度的影響

對(duì)于不同類型的潤滑油而言，溫度對(duì)于橡膠材料與潤滑劑相容性的影響類似，都表現(xiàn)為試驗(yàn)溫度越高，橡膠材料受到的影響越大[6]。

2 氣缸工作性能的試驗(yàn)研究

在進(jìn)行了橡膠試樣與潤滑油相容性浸泡試驗(yàn)之后，為得到與不同潤滑劑浸泡之后的密封圈在實(shí)際工作中的摩擦及密封性能，需要進(jìn)行氣缸O型圈摩擦及密封性能試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括構(gòu)建氣缸自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，將浸泡后的橡膠密封圈裝配入相對(duì)應(yīng)的氣缸中進(jìn)行往復(fù)運(yùn)行，測(cè)量氣缸的摩擦力和泄漏量，將測(cè)量數(shù)據(jù)與未經(jīng)過相容性試驗(yàn)的O型圈相對(duì)比，分析不同潤滑油對(duì)于氣缸O型圈的摩擦及密封性能的影響，為日后氣缸的橡膠密封材料以及潤滑劑的選擇與改善提供參考數(shù)據(jù)。

2.1 氣缸自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO19973-3:2015，氣缸往復(fù)試驗(yàn)的氣動(dòng)回路如圖2所示。 試驗(yàn)氣缸為CQS12-100L型氣缸，缸徑12mm，行程100mm。為了實(shí)現(xiàn)24h不間斷運(yùn)行，試驗(yàn)中采用PLC控制電磁換向閥進(jìn)行反復(fù)切換，從而控制氣缸實(shí)現(xiàn)周期性運(yùn)動(dòng)。所用的PLC型號(hào)為FX1N-40MR-ES，具有24點(diǎn)輸入與16點(diǎn)繼電器輸出，能夠滿足試驗(yàn)需求。換向閥為VV5Q11-07C6FS1-DNS，調(diào)速閥為AS2211F-01-06S。負(fù)載為1kg的質(zhì)量塊，通過定滑輪連接到氣缸活塞桿末端，以保證負(fù)載作用方向與氣缸活塞桿伸出方向相同。試驗(yàn)系統(tǒng)中有5個(gè)氣缸同時(shí)運(yùn)行，對(duì)應(yīng)相容性試驗(yàn)中每組橡膠試樣中的5個(gè)O型圈，并且運(yùn)行頻率為30 次/min，試驗(yàn)中的氣源壓力設(shè)定為0.63±0.03MPa。為了滿足試驗(yàn)系統(tǒng)的供氣需求，試驗(yàn)中使用的壓縮機(jī)為RC螺桿式空壓機(jī)，型號(hào)為DS100-22，其排氣量為2 700L/min，與容積為1 000L的儲(chǔ)氣罐配合使用。

1—?dú)庠矗?—過濾器；3—油霧器；4—減壓閥；5—壓力表；6—消音器；7—電磁閥；8—節(jié)流閥；9—?dú)飧祝?0—負(fù)載圖2 氣缸自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)氣動(dòng)回路圖

2.2 試驗(yàn)過程及相關(guān)參數(shù)測(cè)量

進(jìn)行氣缸試驗(yàn)的O型圈共有10組，包括9組與潤滑油進(jìn)行相容性試驗(yàn)的O型圈與1組對(duì)照組。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，將一組5個(gè)O型圈裝配入試驗(yàn)氣缸中，然后使氣缸進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；在達(dá)到運(yùn)動(dòng)次數(shù)后，對(duì)各個(gè)氣缸進(jìn)行摩擦力與密封性的測(cè)量，取5個(gè)氣缸測(cè)量結(jié)果的平均值，然后將下一組O型圈裝配入氣缸進(jìn)行下一輪試驗(yàn)，以此類推，直至全部10組O型圈都進(jìn)行過試驗(yàn)為止。為了充分檢驗(yàn)氣缸的密封性，并且結(jié)合可靠性標(biāo)準(zhǔn)的要求，將氣缸的往復(fù)運(yùn)行次數(shù)設(shè)置為300 000次，耗時(shí)為1周。在10組O型圈均進(jìn)行過試驗(yàn)后，對(duì)比各組測(cè)量數(shù)據(jù)，以觀察不同O型圈性能參數(shù)對(duì)氣缸工作性能的影響。

1) 氣缸摩擦力測(cè)量方法

氣缸摩擦力采用間測(cè)法進(jìn)行測(cè)量，氣動(dòng)回路如圖3所示。

1、2、3—?dú)鈩?dòng)三聯(lián)件；4—減壓閥；5—壓力表；6—消音器；7—電磁閥；8、9—節(jié)流閥；10—?dú)飧祝?1、12—壓力傳感器；13—激光位移傳感器圖3 摩擦力測(cè)量氣動(dòng)回路圖

氣缸10的動(dòng)作通過換向閥7來實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)速度控制閥8,9改變活塞的速度。壓力傳感器11,12采集氣缸兩腔的壓力變化，氣缸活塞的位移通過位移傳感器13測(cè)量，各傳感器的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡采集。

氣缸的運(yùn)動(dòng)方程如下：

式中：M為氣缸活塞及活塞桿質(zhì)量和，kg；

Ff為氣缸的摩擦力，N；

A1,A2為進(jìn)氣、出氣腔的面積，m2；

P1,P2為進(jìn)氣、出氣腔的壓力，Pa；

P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa。

2) 氣缸泄漏量測(cè)量方法

為了加快測(cè)量速度，設(shè)計(jì)了一種使用并聯(lián)回路的測(cè)量方法，將測(cè)量過程與充氣過程分開，氣動(dòng)回路如圖4所示。

1、2、3—?dú)鈩?dòng)三聯(lián)件；4—減壓閥；5—壓力表；6、7—節(jié)流閥；8—流量計(jì)；9、10—球閥；11—?dú)飧祝?2—負(fù)載圖4 氣缸泄漏量測(cè)量氣動(dòng)回路

測(cè)量時(shí)，以無桿腔為例，首先關(guān)閉節(jié)流閥6與球閥9，打開充氣支路的球閥10，打開節(jié)流閥7，使氣缸快速充氣直至活塞桿完全伸出，等到壓力表5示數(shù)穩(wěn)定后，關(guān)閉節(jié)流閥7與球閥10。然后在測(cè)量支路內(nèi)，緩慢調(diào)節(jié)節(jié)流閥6，待流量計(jì)8示數(shù)為0時(shí)，打開球閥9，待流量計(jì)示數(shù)穩(wěn)定時(shí)，流量計(jì)8的讀數(shù)即為泄漏量。之后按相同方法測(cè)量有桿腔的泄漏量。

綜上所述，寶清縣內(nèi)水文地質(zhì)條件差異較大。但根據(jù)水文地質(zhì)條件分析，本區(qū)雖然分布三層地下水，但碎屑巖類孔隙裂隙水和基巖裂隙水由于補(bǔ)給條件不足，地下水賦存條件較差，不能滿足節(jié)水增糧行動(dòng)項(xiàng)目對(duì)水量的需求，因此不能作為節(jié)水增糧行動(dòng)項(xiàng)目水源。第四系淺層地下水儲(chǔ)存條件較好，單井涌水量豐富，可以滿足節(jié)水增糧行動(dòng)項(xiàng)目對(duì)水源的需求。但寶清縣地下水豐富地區(qū)位于低平原和河谷干流區(qū)段，目前是寶清縣主要的井灌區(qū)，開采量較大，也是本次節(jié)水增糧行動(dòng)項(xiàng)目應(yīng)該避開的地區(qū)。地下水較豐富地段、中等地段為目前節(jié)水增糧行動(dòng)項(xiàng)目區(qū)，其第四系砂礫石孔隙水一般為弱承壓水，局部地下水具有潛水性質(zhì)。

2.3 氣缸工作性能測(cè)量結(jié)果分析

1) 氣缸摩擦力的測(cè)量結(jié)果

圖5反映了受到不同潤滑油影響的O型圈對(duì)氣缸摩擦力的影響。

圖5 氣缸摩擦力折線圖

由圖5中可以看出，浸泡溫度對(duì)于摩擦力的影響與泄漏量一致，潤滑劑與密封材料浸泡時(shí)的溫度越高，氣缸摩擦力收到的影響越大。安裝有與I類及II類潤滑油浸泡的O型圈的氣缸摩擦力有所增大，II類潤滑油對(duì)O型圈的影響比I類更?。欢cIV類潤滑油浸泡的O型圈對(duì)應(yīng)的氣缸摩擦力則減小。

2) 氣缸泄漏量的測(cè)量結(jié)果

氣缸泄漏量的分析將以無桿腔為例，測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

圖6 氣缸無桿腔泄漏量

由折線圖可知，在使用與潤滑劑浸泡后的O型圈之后，氣缸的泄漏量都不同程度地受到了影響。對(duì)于各類O型圈來說，在潤滑劑中浸泡時(shí)的溫度越高，其對(duì)氣缸泄漏量的影響越大。對(duì)于在I類與II類潤滑油中浸泡的O型圈來說，其對(duì)應(yīng)氣缸的泄漏量比使用未經(jīng)過潤滑劑浸泡的O型圈的氣缸小。而對(duì)于與IV類潤滑油浸泡過的O型圈來說，其對(duì)應(yīng)氣缸的泄漏量有所增大。

3 結(jié)語

本文對(duì)于受不同潤滑油作用之后的O型圈對(duì)氣缸工作性能的影響作了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同類型的潤滑劑對(duì)于密封材料的影響各有差異，從而造成氣缸工作性能的表現(xiàn)各不相同。其中，含有飽和烴的基礎(chǔ)油通過影響O型圈，使氣缸的摩擦力增大而密封性能增強(qiáng)，主要成分為合成油聚α烯烴的基礎(chǔ)油會(huì)使氣缸的摩擦力減小而密封性能減弱。

因此，不同種類的潤滑劑對(duì)氣缸的工作性能都同時(shí)有著正面與反面的影響。要做好氣缸的潤滑優(yōu)化，必須在選擇潤滑劑時(shí)綜合考慮各類潤滑劑。要選用含有不飽和成分較少的型號(hào)，同時(shí)還要添加如合成油聚α烯烴等成分，以更好地提高氣缸的工作性能。