渠 濤，柳 榮，董弋鋒，柯玉超，姚學(xué)鋒

(1. 中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210；2. 清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京 100084)

在飛機(jī)巡航中，飛機(jī)艙內(nèi)外壓強(qiáng)不同，產(chǎn)生的壓差使得飛機(jī)艙門橡膠密封件具有側(cè)向移動(dòng)趨勢(shì)，適當(dāng)大小的摩擦力可以保持橡膠密封件在受到側(cè)向壓力作用時(shí)形狀不發(fā)生較大改變。同時(shí)，在橡膠密封件優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，需要將橡膠密封件在氣體壓差作用下產(chǎn)生的側(cè)向位移作為一個(gè)優(yōu)化指標(biāo)，而側(cè)向位移是與動(dòng)摩擦系數(shù)相關(guān)的，所以需要提前通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試確定橡膠密封件與艙門門框之間的動(dòng)摩擦系數(shù)。另外，飛機(jī)在爬升和降落過程中，環(huán)境溫度變化迅速以及橡膠密封件清理不及時(shí)而殘留的油污、灰層等雜質(zhì)都會(huì)對(duì)橡膠密封件的動(dòng)摩擦性能產(chǎn)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?xiàng)l件下的動(dòng)摩擦性能意義重大[1]。

根據(jù)以往的研究成果，橡膠密封件的動(dòng)摩擦性能往往與其接觸力學(xué)特性相關(guān)。同時(shí)，在飛機(jī)飛行過程中，由于艙內(nèi)外氣體壓差的存在使得橡膠密封件與艙門門框接觸區(qū)域發(fā)生泄漏現(xiàn)象，橡膠密封件的密封性能也會(huì)對(duì)其動(dòng)摩擦性能產(chǎn)生相應(yīng)的影響。Ke 等[2-3]建立了管狀橡膠密封件粘滑運(yùn)動(dòng)分析模型，揭示了管狀橡膠密封件粘滑運(yùn)動(dòng)機(jī)制。同時(shí)，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(duì)驅(qū)動(dòng)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(xué)模型，并采用了數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)確定了相應(yīng)的接觸參數(shù)。彭天波等[5]基于實(shí)時(shí)子結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)方法，研究了天然橡膠支座的地震響應(yīng)特點(diǎn)。吳宜峰等[6]對(duì)橡膠隔震支座的力學(xué)性能進(jìn)行了有限元分析和實(shí)驗(yàn)分析。針對(duì)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(yīng)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試結(jié)果。Wang 等[9]提出了適用于任何形狀泄漏孔的氣體泄漏預(yù)測(cè)模型，并通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。Dong 等[10]基于橡膠材料粘彈性特性，揭示了橡膠材料應(yīng)力松弛效應(yīng)對(duì)橡膠密封件密封性能的影響。此外，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)橡膠材料動(dòng)摩擦性能的理論與實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行了大量研究。Chateauminois 等[11-12]通過橡膠與有機(jī)玻璃接觸應(yīng)力測(cè)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(jī)玻璃摩擦?xí)r的粘滑運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，揭示了粘滑運(yùn)動(dòng)時(shí)接觸界面剪切裂紋傳播速度獨(dú)立于摩擦?xí)r物體控制速度的規(guī)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(xiàn)象，并采用數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測(cè)量了粘滑過程中接觸面速度場(chǎng)，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(jī)制被更深入地進(jìn)行了探討?；谙鹉z滑動(dòng)摩擦過程中摩擦力的來源分析，一般認(rèn)為橡膠滑動(dòng)摩擦力主要有兩個(gè)來源：由接觸界面間分子相互排斥與吸引產(chǎn)生的粘附摩擦力與橡膠反復(fù)變形時(shí)產(chǎn)生的遲滯摩擦力[14-16]?；谀Σ吝^程中的摩擦力產(chǎn)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(dòng)速度等對(duì)摩擦性能的影響，為描述車輛輪胎制動(dòng)過程提供指導(dǎo)。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(jié)構(gòu)，提出了一種基于微觀邊值模型反演宏觀摩擦系數(shù)的均勻化計(jì)算方法，并研究了滑動(dòng)速度、加載力等對(duì)摩擦性能的影響。

本文主要研究不同截面形狀的飛機(jī)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?xiàng)l件下的動(dòng)摩擦性能，分析環(huán)境因素對(duì)橡膠密封件動(dòng)摩擦性能的影響。研究?jī)?nèi)容對(duì)于飛機(jī)艙門橡膠密封件的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

1 動(dòng)摩擦性能測(cè)試裝置及測(cè)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(jù)其截面形狀進(jìn)行區(qū)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(jù)測(cè)量需要，將橡膠密封件截成合適的長(zhǎng)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(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)

實(shí)驗(yàn)采用專門研制的高低溫動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)，如圖2 所示。高低溫動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)是專門用來測(cè)量橡膠密封件動(dòng)摩擦性能的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過各種參數(shù)設(shè)置，可以用來測(cè)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(dòng)摩擦系數(shù)。

圖2 高低溫動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)及測(cè)試原理Fig. 2 High and low temperature dynamic friction testing machine and measure principle

實(shí)驗(yàn)采用了2 種加載頭，如圖3(a)、圖3(b)所示。根據(jù)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(shí)驗(yàn)測(cè)試原理

在試件長(zhǎng)度的選用上，考慮到這個(gè)過程在溫度箱內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)還要保證有一定的加載距離，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終確定試件均取200 mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用長(zhǎng)度為500 mm 加載頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)的中間時(shí)刻，可使加載頭的中間位置與試件的中間位置重合，整個(gè)加載過程對(duì)稱。在豎直方向上，為了盡量模擬橡膠密封件實(shí)際工作時(shí)的壓縮情況，同時(shí)要使加載力的數(shù)值保持在合適的范圍內(nèi)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較高的精度，對(duì)于不同型號(hào)的試件，采用不同的加載量。

2 動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同溫度下的動(dòng)摩擦系數(shù)

為了測(cè)量溫度對(duì)橡膠密封件動(dòng)摩擦性能的影響，實(shí)驗(yàn)分別對(duì)1#試件和2#試件在高溫(100 ℃、60℃)、常溫(20 ℃)和低溫(-20 ℃、-50 ℃)下的動(dòng)摩擦性能進(jìn)行了測(cè)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(shí)間曲線、摩擦力-時(shí)間曲線和動(dòng)摩擦系數(shù)-時(shí)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(shí)間曲線、摩擦力-時(shí)間曲線和動(dòng)摩擦系數(shù)-時(shí)間曲線。

由圖4(a)～圖4(e)和圖5(a)～圖5(e)中正壓力-時(shí)間曲線可見，正壓力隨時(shí)間都呈下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)橄鹉z是整個(gè)結(jié)構(gòu)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(dòng)摩擦性能測(cè)試時(shí)，豎直方向上對(duì)橡膠密封件的加載位移不變，則在豎直方向上，試件出現(xiàn)了應(yīng)力松弛現(xiàn)象。應(yīng)力松弛是指在一定的溫度下，材料保持恒定變形時(shí)，應(yīng)力隨著時(shí)間的增加而逐漸衰減的現(xiàn)象。幾乎所有的材料都具有應(yīng)力松弛的特性，但對(duì)于像橡膠這類具有粘彈性的高分子材料，其應(yīng)力松弛現(xiàn)象很明顯，在較短的時(shí)間內(nèi)，應(yīng)變不變而應(yīng)力下降，進(jìn)而導(dǎo)致正壓力隨時(shí)間呈下降的趨勢(shì)。

圖4 1#試件在不同溫度下動(dòng)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(dòng)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(dòng)摩擦系數(shù)Table 1 Dynamic friction coefficient under different temperatures

通過表1 中的數(shù)據(jù)可見，兩種型號(hào)橡膠密封件動(dòng)摩擦系數(shù)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(dòng)摩擦系數(shù)具有強(qiáng)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(duì)加載頭的阻礙作用更強(qiáng)，動(dòng)摩擦系數(shù)就越大。

2.2 不同壓縮量下的動(dòng)摩擦系數(shù)

采用2.1 節(jié)水平加載的方式，選用長(zhǎng)500 mm的圓弧型加載頭對(duì)3#試件進(jìn)行不同豎直加載量下動(dòng)摩擦系數(shù)的研究。通過測(cè)試，并使用與2.1 節(jié)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(dòng)摩擦系數(shù)，圖6為3#試件在不同壓縮量時(shí)的動(dòng)摩擦曲線。表2 中列出了各加載量下的動(dòng)摩擦系數(shù)。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，橡膠密封件的正壓力隨著加載量的增加逐漸上升。當(dāng)加載量達(dá)到16 mm 時(shí)，摩擦系數(shù)比其他加載量下的摩擦系數(shù)更大。這是因?yàn)榇藭r(shí)3#試件發(fā)生了較大的變形，試件變形后圓弧加載頭兩側(cè)的部分已經(jīng)與試件接觸。接觸區(qū)域增大造成了加載頭在橡膠密封件表面滑動(dòng)過程中受到的摩擦力增大。但是對(duì)于其他加載量下橡膠密封件的動(dòng)摩擦系數(shù)變化并不呈現(xiàn)明顯的規(guī)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(dǎo)致動(dòng)摩擦系數(shù)的變化。壓縮量并不是與動(dòng)摩擦系數(shù)唯一相關(guān)的量，故兩者之間的變化關(guān)系較復(fù)雜。對(duì)不同工況下的橡膠密封件，應(yīng)盡量通過實(shí)驗(yàn)獲得動(dòng)摩擦性能。

2.3 不同表面處理情況下的動(dòng)摩擦系數(shù)

分別對(duì)1#試件和2#試件進(jìn)行表面處理，測(cè)量處理前后摩擦系數(shù)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(shí)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(shí)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(fā)亮；而油污和沙塵同時(shí)作用時(shí)，試件上有明顯的黃色沙粒。沙塵或油污的涂覆區(qū)域?yàn)橄鹉z密封件與加載頭接觸區(qū)域。涂覆時(shí)，要保證涂覆區(qū)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(dòng)摩擦曲線圖。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并采用與2.1 節(jié)中提出的取平均值法便可得出了未經(jīng)處理和經(jīng)過不同表面處理時(shí)橡膠密封件的動(dòng)摩擦系數(shù)，如表3 所示。

由表3 中數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)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(dòng)摩擦系數(shù)。由表3 可見，對(duì)于1#試件和2#試件，粘上沙塵后，試件的動(dòng)摩擦系數(shù)分別增加了63.7%和129.2%。1#試件的動(dòng)摩擦曲線上有明顯的凸起，產(chǎn)生的原因是沙塵附著在試件表面上，開始滑動(dòng)時(shí)，加載頭與試件既發(fā)生靜摩擦，又發(fā)生滑動(dòng)摩擦；當(dāng)滑動(dòng)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(dòng)起來，所以很快摩擦力表現(xiàn)出一定的下降。但綜合起來看，試件表面纖維相對(duì)于沙塵太粗糙，起阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用更加強(qiáng)烈一些，最終表現(xiàn)出動(dòng)摩擦系數(shù)增大。而2#試件的動(dòng)摩擦曲線上沒有類似1#試件的凸起，產(chǎn)生這種差別的原因是因?yàn)?#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(huì)因?yàn)樵嚰螤罡淖兌撀?，反而因?yàn)樽冃?，使試件將加載頭包圍起來，兩者之間接觸更加緊密。而對(duì)于2#試件，使用的是平底加載頭，滑動(dòng)時(shí)附著不牢的很多沙塵會(huì)脫落，而不會(huì)在加載頭與試件間形成較多可滾動(dòng)的沙粒。因此，加載頭與試件上的沙塵主要是滑動(dòng)摩擦，增大動(dòng)摩擦系數(shù)的效果也更加明顯一些。涂上油污后，動(dòng)摩擦系數(shù)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(dòng)摩擦系數(shù)，這與常理中油、水等減小摩擦系數(shù)的規(guī)律不同。這里主要是受紡織纖維的影響，因?yàn)閷?duì)于纖維來說，一般濕態(tài)下的滑動(dòng)摩擦要高于干態(tài)下的滑動(dòng)摩擦。油污使得纖維處于濕態(tài)，從而影響摩擦性能。而當(dāng)同時(shí)有油污和沙塵時(shí)，動(dòng)摩擦系數(shù)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(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力，所以，相對(duì)于只有沙塵的試件，動(dòng)摩擦系數(shù)更大。

表2 不同加載量下密封件動(dòng)摩擦系數(shù)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(duì)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(duì)比Fig. 8 Comparison of different surface treatment of No.2 specimen

圖9 2#試件不同表面處理時(shí)的動(dòng)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(shí)的動(dòng)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(jīng)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(huì)增大橡膠密封件表面的摩擦系數(shù)，也會(huì)加快橡膠密封件的磨損。對(duì)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(shí)橡膠密封件動(dòng)摩擦系數(shù)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(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究了橡膠密封件在不同環(huán)境因素下的動(dòng)摩擦性能，基于庫侖-摩擦定律，得到了相應(yīng)條件下的動(dòng)摩擦系數(shù)。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析，橡膠密封件動(dòng)摩擦性能的主要結(jié)論有：

(1) 高低溫動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)能夠有效地測(cè)量飛機(jī)艙門橡膠密封件在不同溫度、壓縮量下以及不同表面處理?xiàng)l件下的動(dòng)摩擦性能。

(2) 橡膠密封件動(dòng)摩擦性能具有強(qiáng)烈的溫度依賴性。動(dòng)摩擦系數(shù)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(dòng)摩擦系數(shù)，兩者相互影響，造成橡膠密封件動(dòng)摩擦性能并不與壓縮量呈明顯的單調(diào)變化關(guān)系。

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