趙 勇 黃 樂 王培杰 陳 晴 俞經(jīng)虎

(1.江南大學機械與工程學院 江蘇無錫 214000；2.廣州機械科學研究院有限公司 廣東廣州 510535)

液壓密封件是液壓系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠性與壽命對保證液壓系統(tǒng)的正常運行有著至關(guān)重要的作用。VL密封件由VL密封圈與O形橡膠圈組合而成，其中O形橡膠圈可以對VL密封圈的磨損量起到一定的補償作用[1-2]。VL密封在控制泄漏和摩擦力大小方面都有著很突出的優(yōu)勢[3]，在往復運動密封中有著廣泛的應用。設(shè)計過程中不合理的材料選擇，使用過程中不合理的安裝以及惡劣的工作環(huán)境都會加速密封件的損壞，導致密封性能達不到要求。由于密封件是依靠配合過程中過盈產(chǎn)生的接觸壓力實現(xiàn)密封，因此在運動過程中不可避免地會產(chǎn)生摩擦磨損、擠壓等，進而導致密封件性能受到影響，產(chǎn)生泄漏。據(jù)統(tǒng)計，液壓系統(tǒng)的各類密封問題中密封件磨損失效的比例占80%[4]。

國內(nèi)外學者對密封件在使用過程中的磨損進行了研究。趙秀栩、徐敏等人[5-6]通過ANSYS仿真分析密封件在不同磨損程度下摩擦應力和失效概率變化規(guī)律，分析磨損對VL密封件性能的影響，并對液壓缸實際運行過程中往復密封件的磨損進行預測。黃興、徐娜等人[7-8]基于有限元分析軟件分析了不同工況下泄漏量與摩擦力之間的變化關(guān)系。吳健等人[9]基于多尺度分析了徑向唇形密封摩擦行為，研究表明PTFE材料的摩擦力隨溫度的升高而減小。黃樂等人[10]通過環(huán)塊磨損試驗機進行滴油潤滑條件下聚氨酯材料的摩擦磨損試驗，研究聚氨酯材料在不同壓力、轉(zhuǎn)速、磨損時間下的磨損情況，利用ANSYS計算接觸壓力，并通過Rhee的磨損經(jīng)驗公式，通過對試驗數(shù)據(jù)非線性回歸擬合獲得聚氨酯材料的磨損經(jīng)驗公式。

上述研究通過有限元分析技術(shù)求解出了密封件在不同工況參數(shù)下的摩擦力、磨損量等參數(shù)，但對于密封件在同一工況下的摩擦力、磨損量等參數(shù)變化對泄漏速率影響的研究較少。同時，在密封件使用過程中，由于實際溫度變化等工況復雜，有限元分析結(jié)果并不一定能反映出密封件實際性能變化。因此有必要進行密封件壽命的試驗，分析VL密封件在實際使用過程中的性能指標與密封件摩擦力、變形量等參數(shù)的關(guān)系。

1 試驗部分

1.1 試驗方法

文中參照《液壓傳動 密封裝置 評定液壓往復運動密封件性能的試驗方法》[11]，及相關(guān)試驗標準[12]進行試驗。

活塞桿在進行往復運動的過程中，粘附在活塞桿上的油膜在外行程中被帶入密封唇口與活塞桿之間的密封界面。在內(nèi)行程過程中，粘附在活塞桿上的油膜又被帶回缸內(nèi)。于是帶出與帶回的密封介質(zhì)量的差值就為該往復運動過程中的泄漏量[10]，每公里泄漏的液體質(zhì)量稱為密封件往復運動的泄漏速率。泄漏速率是評價密封件性能的直接指標，當泄漏速率超過預設(shè)值時，即判定為失效。在腔體兩端各放置一個燒杯用于接收往復運動過程中泄漏的液體，每間隔一段時間稱量燒杯質(zhì)量，質(zhì)量差即為這段時間的泄漏量；泄漏量與這段時間往復運動公里數(shù)的比值為泄漏速率。

密封件的磨損直接影響其壽命，對密封磨損程度的測量一般是對比密封件試驗前后的長度差或質(zhì)量差來測量磨損量[13]。文中試驗使用梅特勒ML304T電子天平對密封件質(zhì)量進行精確測量，其精度可達到0.1 mg。

密封件的摩擦力是評價密封件性能的重要因素，密封件隨著往復密封運動的進行發(fā)生磨損，進而密封件與活塞桿之間的摩擦力也隨之而改變。文中試驗利用摩擦力傳感器測量不同時間節(jié)點下的摩擦力數(shù)值，通過分析摩擦力的變化情況，掌握密封件與活塞桿之間的摩擦力的變化規(guī)律，可以為密封件的研制提供試驗依據(jù)。

密封件的尺寸利用UTPvision檢測設(shè)備進行測量，使用美國ZYGO公司生產(chǎn)的3D表面輪廓/微觀測量儀測量截面輪廓與唇口處表面粗糙度。

1.2 試驗設(shè)備與材料

試驗臺架為多列往復密封試驗臺，該試驗臺由液壓站系統(tǒng)、密封件測試臺架、電器控制系統(tǒng)、高精度過濾系統(tǒng)、油位水溫自動控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集儲存輸出系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 多列往復試驗臺

試驗所選取的密封件為VL形密封圈，產(chǎn)品規(guī)格為VL50 mm×61 mm×6.7 mm，所采用的材料為PTFE。如圖2所示。

圖2 VL密封件

1.3 試驗過程

試驗開始前檢查機器運行情況，清理燒杯并測量燒杯初始質(zhì)量。測量試驗所用VL密封件的基本尺寸，而后進行密封件的安裝。如圖3所示，密封件安裝大致步驟如下：密封件安裝在密封件溝槽內(nèi)，將密封件溝槽、隔套、壓套依次裝入腔體內(nèi)；當缸內(nèi)工裝安裝完成后，缸體兩側(cè)安裝端蓋進行固定，將活塞桿安裝進去后，試驗工裝安裝完成。

圖3 密封件安裝過程

試驗工裝安裝完成后進行試驗，試驗步驟如下：

(1)先進行一組VL密封件往復運動全壽命測量試驗，試驗過程中，每隔一段時間記錄燒杯質(zhì)量變化與摩擦力。當VL密封件泄漏速率超過使用要求時，記錄試驗過程的總里程數(shù)并記為該型號VL密封件的壽命。取出VL密封件測量尺寸與微觀形貌，然后制作切片用于觀察表面輪廓變化。

(2)更換密封件，重復步驟(1)，當VL密封件往復運動的總里程數(shù)分別達到第一次試驗總里程數(shù)的5%、25%、50%、75%更換密封件，再次進行試驗。

2 結(jié)果與討論

在壓力為28 MPa、速度為0.3 m/s、運動行程為300 mm的常溫條件下，第一組VL密封件在往復運動總里程數(shù)達到41 km時，泄漏速率不再符合要求，判定密封件失效。因此壽命的5%的節(jié)點為往復運動總里程數(shù)2.05 km，即第二組試驗的停止條件為往復運動總里程數(shù)達到2.05 km。此外，另3組試驗分別在往復運動總里程數(shù)達到10.25 km(25%)、20.5 km(50%)、30.75 km(75%)停止試驗。

2.1 不同時間節(jié)點下的泄漏量變化

密封件在使用過程中，泄漏量與泄漏速率是評價其性能的重要指標。試驗得到的不同時間下的泄漏量變化與泄漏速率變化如圖4所示。

圖4 不同運行里程時泄漏變化

由圖4可知，密封件在使用過程中，開始階段泄漏速率逐漸增加，然后進入穩(wěn)定階段，密封件泄漏速率維持在3～4 g/km之間；此后密封件密封性能下降，泄漏率逐漸增加。由此可以得出VL密封件在實際使用過程泄漏變化規(guī)律，進而為密封件的性能分析提供指導意義。

2.2 泄漏速率與內(nèi)徑尺寸的關(guān)系

VL密封件在往復運動過程中處于流體動壓潤滑狀態(tài)[14]，從而達到密封的效果，但其內(nèi)徑位置不可避免地受到活塞桿的接觸壓力與油壓，從而內(nèi)徑尺寸發(fā)生變化。

不同時間節(jié)點下各組試驗密封件在試驗前后的尺寸變化及泄漏率變化如表1所示。

由表1可知，VL密封圈在使用過程中內(nèi)徑隨著使用時間的增加整體呈現(xiàn)增加的趨勢。結(jié)合試驗數(shù)據(jù)與VL密封工裝(見圖3)分析：活塞桿在往復運動過程中與VL密封圈的唇口有接觸壓力，在接觸壓力的作用下，VL密封圈的內(nèi)徑逐漸增加。結(jié)合泄漏速率變化與內(nèi)徑尺寸變化可以得出：泄漏速率與內(nèi)徑尺寸變化呈正相關(guān)關(guān)系。

表1 內(nèi)徑尺寸變化及泄漏速率變化

2.3 泄漏速率與截面的磨損輪廓變化的關(guān)系

將測試后的密封圈進行切片觀測，即沿著圓心并垂直于密封圈切下薄片，使用美國ZYGO生產(chǎn)的3D表面輪廓測量儀對切片進行輪廓投影。不同壽命節(jié)點密封圈輪廓變化如圖5所示。

圖5 密封圈不同壽命節(jié)點投影輪廓對比

以高度變化為例，不同時間節(jié)點下各組試驗密封件的高度變化及泄漏率變化如表2所示。

表2 高度尺寸變化及泄漏率變化

由圖5、表2可知，VL密封件在使用過程中會逐漸發(fā)生變形，變形速度在開始階段較大，而在正常使用階段變化較小，當泄漏速率達到失效條件時，其形狀變化較大。往復運動過程中VL密封件的應力主要集中在VL密封件的唇口處以及O形圈與VL密封件的接觸部分[15]，其變形主要表現(xiàn)為唇口與活塞桿的角度逐漸減小，O形圈與VL密封圈接觸位置厚度逐漸減小。隨著變形的程度增加，VL密封的泄漏速率逐漸變大，密封效果逐漸變差。

2.4 密封件摩擦磨損與泄漏量變化分析

在壽命試驗過程中，磨損量隨時間的變化如圖6所示。

圖6 不同運行里程時磨損量變化

由圖6可知，VL密封件在使用過程中，在活塞桿往復運動的作用下，發(fā)生了一定量的摩擦磨損，且磨損量逐漸增加。結(jié)合圖6中磨損量變化與圖4(b)中泄漏速率變化可知：VL密封件的磨損速率與泄漏速率呈正相關(guān)關(guān)系，但由于其變化量較小，因此可以推斷出磨損量變化并不是該試驗中影響VL密封件泄漏速率的主要因素。

2.5 摩擦力與泄漏量的關(guān)系

利用摩擦力傳感器測量密封件在不同壽命節(jié)點的摩擦力變化，試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同運行里程時摩擦力變化

從圖7中可以看出，隨著往復次數(shù)的增加，摩擦力在壽命區(qū)間內(nèi)整體呈現(xiàn)降低的趨勢。結(jié)合圖6中磨損量變化曲線，可知隨著磨損量的增加，摩擦力呈現(xiàn)下降趨勢。在VL密封件的使用過程中，VL密封圈的唇口位置在摩擦磨損的作用下，表面微觀形狀會發(fā)生改變。利用美國ZYGO生產(chǎn)的3D表面微觀測量儀對VL密封圈表面進行測量，以壽命節(jié)點為100%的VL密封件為例，所測量的微觀形貌如圖8所示。

圖8 唇口表面微觀形貌

通過對唇口處微觀形貌的測量，得到VL密封件在使用過程中各壽命節(jié)點下唇口處均方根粗糙度變化如圖9所示。

圖9 不同運行里程時均方根粗糙度變化

在VL密封件試驗過程中，唇口處均方根粗糙度值整體呈現(xiàn)下降趨勢，與摩擦力變化趨勢較為吻合。結(jié)合圖4(b)中泄漏速率變化曲線可知：在文中試驗條件下，密封件表面粗糙度變化與VL密封件的泄漏速率變化無直接關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)VL密封件在往復運動過程中，泄漏速率與內(nèi)徑尺寸變化呈正相關(guān)關(guān)系，即內(nèi)徑尺寸變化越大，泄漏速率越大。

(2)VL密封件在接觸壓力的作用下發(fā)生變形，其中變形主要發(fā)生在O形圈與VL密封圈接觸位置以及VL密封圈唇口處，且泄漏速率與變形程度正相關(guān)。因此，合理改善VL密封件的變形情況可以提高VL密封件的性能。

(3)VL密封件的磨損量與泄漏速率變化呈正相關(guān)關(guān)系，但試驗過程中磨損量變化較小，可以推斷出磨損量對VL密封件的泄漏速率影響較小。

(4)VL密封件的摩擦力隨著使用時間的增加整體呈現(xiàn)降低的趨勢，與唇口處均方根粗糙度變化趨勢較為吻合；試驗過程中摩擦力、唇口處均方根粗糙度與泄漏速率變化無直接關(guān)系。