任志英 李金明 楊洋洋 朱懷文 梁盛濤

(1.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院 福建福州 350116； 2.福州大學(xué)金屬橡膠與振動噪聲研究所 福建福州 350116)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，密封技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。而一些高精度的儀器和元器件對密封性能的要求也越來越嚴(yán)格，這些元件的密封性能直接關(guān)系到相關(guān)領(lǐng)域能否突破現(xiàn)有的發(fā)展瓶頸。為了保證現(xiàn)代工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，迫切需要研究更可靠的密封技術(shù)，達(dá)到更有效的密封效果[1-4]。目前常用的密封材料以橡膠材料為主，但是橡膠材料因其本質(zhì)屬性的局限性而限制了適用范圍。例如：橡膠材料在大溫差下無法正常工作，在高溫下易老化、低溫下易脆裂，難以承受較大的壓力；在高真空、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射工作環(huán)境下，橡膠材料也易老化而失效。因此，自主研發(fā)和探索在特殊工況下適用的高性能密封件，一直是密封防泄漏領(lǐng)域的主要研究課題之一[5-6]。金屬橡膠因具有工作溫度范圍大、抗腐蝕、強(qiáng)度高等特性[7-8]，可以在惡劣工程環(huán)境中應(yīng)用，在密封領(lǐng)域得到越來越多的重視。金屬橡膠是一種彈性多孔狀材料，其內(nèi)部為螺旋狀金屬絲相互交錯勾連形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在外載的作用下可以實(shí)現(xiàn)壓縮、回彈及阻尼耗能等作用[9-10]。

針對金屬橡膠的特性，趙宏宇[11]就研制了一款聚四氟乙烯包覆型金屬橡膠密封件，建立了金屬橡膠O形圈壓力傳遞系數(shù)模型，通過試驗(yàn)研究了金屬橡膠密封件的體積泄漏率，獲得較好的理論與試驗(yàn)成果。李遠(yuǎn)超[12]開展了不同相對密度的金屬橡膠密封件在溫度環(huán)境下的遲滯特性與力學(xué)特性的試驗(yàn)。張文靜[13]研制了2種包覆層的金屬橡膠密封件，通過試驗(yàn)研究了金屬橡膠材料的溫度特性及力學(xué)特性；根據(jù)Navier-Stokes方程及壓差流動模型推導(dǎo)了密封件的泄漏率公式，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了計(jì)算和試驗(yàn)研究。趙亞磊[14]將金屬橡膠密封件應(yīng)用于往復(fù)軸動密封系統(tǒng)中，利用改進(jìn)的金屬橡膠密封專用試驗(yàn)臺和動密封測試工裝對金屬橡膠密封件進(jìn)行試驗(yàn)，通過對比試驗(yàn)與理論驗(yàn)證了理論分析的正確性。

學(xué)者們雖然對金屬橡膠密封件已經(jīng)開展了大量的研究工作，但由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜與工藝的繁瑣，目前研究進(jìn)展依舊較為緩慢，特別是一些密封截面很小但整體直徑卻很大的大環(huán)徑比的耐高溫密封件。因此，本文作者以大環(huán)徑比O形金屬橡膠密封件為研究對象，研究其制備工藝并通過理論和試驗(yàn)研究分析金屬橡膠密封件的靜力學(xué)性能。

1 金屬橡膠密封件制備工藝

金屬橡膠作為一種多孔材料，無法直接用于密封，常常采用增加開口包覆層實(shí)現(xiàn)，其示意圖見圖1。因此，金屬橡膠密封件制備流程分為兩個模塊：一是金屬橡膠密封件的彈性內(nèi)芯即金屬橡膠的制備；二是金屬橡膠密封件的包裹層制備，最后將其和彈性內(nèi)芯組裝在一起，制備出完整的金屬橡膠密封件。

圖1 金屬橡膠密封件示意Fig.1 Schematic of metal rubber seal

(1)

(2)

式中：m為金屬橡膠彈性體內(nèi)芯的質(zhì)量(g)；V為金屬橡膠彈性體內(nèi)芯的體積(cm3)；ρ為不銹鋼金屬絲的密度(g/cm3)。

根據(jù)公式(2)計(jì)算出金屬橡膠孔隙度，并得出孔隙度為69.7%、63.7%、57.6%、51.5%的金屬橡膠(MR)彈性體內(nèi)芯的質(zhì)量如表1所示。

表1 各孔隙度的MR內(nèi)芯質(zhì)量及數(shù)量Table 1 Mass and quantity of MR inner core of each porosity

1.1 金屬橡膠彈性內(nèi)芯制備工藝

MR內(nèi)芯制備采用絲徑為0.20 mm的304不銹鋼金屬絲作為原材料，并將選取的金屬絲經(jīng)過金屬絲螺旋圈繞制設(shè)備繞制，繞制出螺旋卷的內(nèi)徑約為絲徑的10倍，該種尺寸的金屬絲螺旋卷可以在編織毛坯時(shí)更好地使毛坯成型[15]。將繞制好的金屬絲螺旋卷進(jìn)行定螺距拉伸，其中拉伸后螺旋卷的螺距與其內(nèi)徑大致相等，這樣可以使金屬絲之間的嚙合效果最好，保證后續(xù)在壓制金屬橡膠毛坯時(shí)體積穩(wěn)定性最高[16]。經(jīng)過金屬橡膠毛坯自動化纏繞設(shè)備纏繞后，即可得到成型的金屬橡膠彈性內(nèi)芯毛坯。最后將毛坯放入大環(huán)徑比O形金屬橡膠彈性內(nèi)芯專用壓制成型的模具中，用液壓機(jī)進(jìn)行冷沖壓，即可得到金屬橡膠彈性內(nèi)芯。金屬橡膠彈性內(nèi)芯整體制備流程如圖2所示。

圖2 金屬橡膠彈性內(nèi)芯制備工藝流程Fig.2 Process flow of preparation of metal rubber elastic inner core

1.2 O形大口徑金屬橡膠密封件金屬包覆工藝

制備成型的金屬橡膠彈性內(nèi)芯因?yàn)槿鄙俪尚湍＞叩募s束，會出現(xiàn)微量擴(kuò)張，因此為了將金屬橡膠彈性內(nèi)芯放置在不銹鋼毛細(xì)鋼管包裹層中，采用銑床切割機(jī)進(jìn)行精確切取毛細(xì)不銹鋼管，開槽寬度為(2±0.1)mm。然后，將開槽的鋼管放置在特制的折彎模具中進(jìn)行折彎、整圓工藝處理。由于毛細(xì)鋼管材質(zhì)較硬難以折彎，因此折彎時(shí)使用便攜式高溫火焰噴槍(最高溫度達(dá)1 000 ℃)，運(yùn)用噴槍產(chǎn)生的高溫火焰的外焰緩慢烤制毛細(xì)鋼管使其軟化、降低毛細(xì)鋼管在折彎時(shí)產(chǎn)生的屈服應(yīng)力，減少因折彎而產(chǎn)生的局部損傷，提高毛細(xì)鋼管包裹層圓度。最后，利用激光焊接機(jī)對折彎的鋼管進(jìn)行接口處激光焊接，焊接完成后對包裹層進(jìn)行整圓處理，以保證包裹層的圓度。同時(shí)用砂紙對焊接后的包裹層進(jìn)行打磨去除包裹層在制備時(shí)產(chǎn)生的毛刺，完成金屬橡膠密封件包裹層的制備。金屬包覆工藝流程如圖3所示。

圖3 O形大口徑金屬橡膠密封件金屬包覆工藝流程Fig.3 Process flow of metal coating of O-shaped large-diameter metal rubber seals

2 金屬橡膠密封件的靜力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 金屬橡膠密封件試件選取

文中制備的金屬橡膠密封件及內(nèi)芯試驗(yàn)樣件，其基本尺寸參數(shù)如下：內(nèi)徑276 mm，外徑283 mm，截面直徑3.5 mm。選取孔隙度分別為69.7%、63.7%、57.6%和51.5%的樣件分別進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)平臺

由于所設(shè)計(jì)的金屬橡膠密封件的環(huán)徑比較大，為保證整個密封件均能均勻受力，加載過程不出現(xiàn)樣件發(fā)生偏移現(xiàn)象，需要設(shè)計(jì)一套專用夾具。圖4(a)所示為設(shè)計(jì)的靜力學(xué)試驗(yàn)的夾具工裝示意圖，夾具包括圓形壓盤和加持臺，圓形壓盤通過轉(zhuǎn)接口與試驗(yàn)機(jī)相接可保證載荷均勻分布在金屬橡膠密封件上；加持臺的空腔用來放置試驗(yàn)樣件并可以防止樣件發(fā)生徑向偏移。圖4(b)所示為試驗(yàn)臺，圖4(c)所示為試驗(yàn)工裝夾具。金屬橡膠彈性內(nèi)芯的靜力學(xué)試驗(yàn)測試方法同上。

圖4 金屬橡膠密封件靜態(tài)壓縮試驗(yàn)試驗(yàn)臺及工裝夾具Fig.4 Test bed and fixture for static compression test of metal rubber seals:(a)schematic of fixture;(b)test bed;(c)fixture

2.3 金屬橡膠內(nèi)芯的準(zhǔn)靜態(tài)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)選取了上述4種不同孔隙度的金屬橡膠內(nèi)芯，分析了在相同載荷下4種不同孔隙度金屬橡膠內(nèi)芯的準(zhǔn)靜態(tài)常溫下的力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 相同載荷下不同孔隙度金屬橡膠內(nèi)芯的力-位移曲線Fig.5 Force-displacement curves of metal rubber core with different porosity under the same load

從圖5中可得，在一定的孔隙率范圍內(nèi)，在相同載荷作用下，金屬橡膠內(nèi)芯試樣的孔隙率越大，回彈性越好，試樣所能承受的工作載荷越大；此外，在相同載荷下，試樣的孔隙率越大，滯環(huán)面積越大，即能耗越大。

2.4 帶包覆層的金屬橡膠密封件準(zhǔn)靜態(tài)性能試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)研究了4種不同孔隙度的金屬橡膠密封件(69.7%、63.7%、57.6%、51.5%)在準(zhǔn)靜態(tài)常溫下的力學(xué)性能，分析載荷、孔隙度兩種參數(shù)對金屬橡膠密封件力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖6和7所示。

圖6 不同載荷下孔隙度為63.7%的金屬橡膠密封件的力-位移Fig.6 The force-displacement curves of the metal rubber seal with porosity of 63.7% under different loads

從圖6中可知：孔隙度為63.7%的金屬橡膠密封件在壓縮試驗(yàn)初期(施加的載荷量大約為2.4 kN)會出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折區(qū)，轉(zhuǎn)折區(qū)如圖6中局部放大圖所示，并且轉(zhuǎn)折區(qū)的橫坐標(biāo)隨著載荷增加而不斷增加，而轉(zhuǎn)折區(qū)的縱坐標(biāo)基本保持在同一水平即載荷為2.4 kN。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于：金屬橡膠密封件的承載變形過程可以分為兩個階段，第一階段即壓縮初期主要是不銹鋼包裹層承受載荷，第二階段是金屬橡膠內(nèi)芯和包裹層兩者同時(shí)承受載荷，由于第一階段承受載荷的主要元件是不銹鋼包裹層，此時(shí)的金屬橡膠內(nèi)芯承受較小部分的載荷，而包裹層屬于剛性材料，導(dǎo)致金屬橡膠密封件在試驗(yàn)初期力學(xué)性能部分偏向于剛性材料。隨著載荷的增大，金屬橡膠密封件產(chǎn)生的變形也越來越大，且當(dāng)載荷大于60 kN后，加載曲線逐漸重合，說明載荷增大后密封件的力學(xué)性能更加趨于穩(wěn)定。

從圖7中可得：在相同靜態(tài)載荷下4種不同孔隙度試驗(yàn)樣件都呈現(xiàn)出典型的非線性遲滯特性，并且隨著孔隙度的不斷增大，試驗(yàn)樣件的轉(zhuǎn)折區(qū)出現(xiàn)如圖中所示的下滑趨勢。即孔隙度越大，其轉(zhuǎn)折區(qū)越趨向原點(diǎn)。這是因?yàn)椋航饘傧鹉z密封件的孔隙度越大，其內(nèi)芯即金屬橡膠材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就越松散，導(dǎo)致金屬橡膠密封件抵抗變形的能力也越小。故隨著孔隙度的減小，金屬橡膠密封件抵抗變形的能力隨之增大，且在相同加載位移下，孔隙度越小，金屬橡膠密封件承載能力越大。

圖7 載荷60 kN下不同孔隙度金屬橡膠密封件的力-位移曲線Fig.7 Force-displacement curves of metal rubber seals with different porosity under 60 kN load

為了進(jìn)一步研究金屬橡膠密封件的靜力學(xué)性能，對比了4種不同孔隙度的金屬橡膠內(nèi)芯和金屬橡膠密封件在相同壓縮量下(0.5 mm)的承載情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為加載曲線，如圖8所示。

圖8 壓縮量0.5 mm下金屬橡膠密封件和內(nèi)芯的承載對比Fig.8 Comparison of the bearing capacity of the metal rubber seal and the inner core under 0.5 mm compression

從圖8可知，在相同壓縮量下，金屬橡膠密封件的承載能力是內(nèi)芯的4～5倍。從另一方面看，當(dāng)受到相同載荷時(shí)，金屬橡膠密封件產(chǎn)生的變形會比金屬橡膠內(nèi)芯小很多，且隨著孔隙度的增大，承載能力越強(qiáng)。

3 O形大口徑金屬橡膠密封件的擬合公式

金屬橡膠是一種新型非線性阻尼材料，具有正交各向異性，制備工藝參數(shù)對其力學(xué)性能有一定的影響。因此，在將其應(yīng)用到實(shí)際機(jī)械裝備中之前，有必要分析金屬橡膠密封件的加卸載過程，并建立多項(xiàng)式擬合函數(shù)，使其能夠在一定程度上反映出工藝參數(shù)對其影響，預(yù)測金屬橡膠密封件的工作狀態(tài)。

3.1 建立金屬橡膠密封件的多項(xiàng)式擬合函數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[17-19]對金屬橡膠密封件靜態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行擬合，利用最小二乘法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)多次擬合分析，建立起含有不銹鋼包覆的金屬橡膠密封件的多項(xiàng)式表達(dá)方程為

加載曲線方程：

(3)

卸載曲線方程：

b5x5+b6x6

(4)

3.2 多項(xiàng)式系數(shù)識別

通過對不同孔隙度的金屬橡膠密封件在不同載荷下進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能測試，完成測試數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式擬合。各試驗(yàn)組的多項(xiàng)式系數(shù)的識別結(jié)果見表2。

表2 多項(xiàng)式系數(shù)擬合結(jié)果(孔隙度：69.7%)Table 2 Polynomial coefficient fitting results (Porosity:69.7%)

為分析金屬橡膠密封件的靜剛度與壓縮位移之間的變化關(guān)系，對上述擬合出的金屬橡膠密封件六階多項(xiàng)式加載曲線(除去 “轉(zhuǎn)折區(qū)”部分)進(jìn)行求導(dǎo)，并繪制出如圖9所示的金屬橡膠密封件的靜剛度與位移變化圖。根據(jù)金屬橡膠密封件的設(shè)計(jì)要求，壓縮量應(yīng)不超過30%(1 mm左右)，還要保證密封件具有一定范圍的外載，故測試了4種不同孔隙度的金屬橡膠密封件在壓縮量為1 mm時(shí)的承載范圍，如圖10所示。

圖9 金屬橡膠密封件靜剛度-位移曲線Fig.9 Static stiffness-displacement curves of metal rubber seal: (a)porosity of 69.7%；(b)static load of 60 kN

從圖9(a)可得：同一孔隙度的試驗(yàn)樣件的靜剛度隨著載荷的增加而增加，靜剛度呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非線性。從圖9(b)可得：不同孔隙度的金屬橡膠密封件的靜剛度出現(xiàn)先快速增加后緩慢增加兩個階段。圖9所示的現(xiàn)象和上述金屬橡膠密封件壓縮試驗(yàn)較為一致，結(jié)合金屬橡膠密封件設(shè)計(jì)要求分析可知此類密封件滿足工作條件。

從圖10中可知，當(dāng)4種不同孔隙度的金屬橡膠密封件受到準(zhǔn)靜態(tài)載荷且壓縮量為1 mm時(shí)，各種金屬橡膠密封件的最大承載范圍在8～15 kN內(nèi)，這表明該金屬橡膠密封件非常適合一些載荷高的密封環(huán)境。

圖10 不同孔隙度的金屬橡膠密封件在壓縮量為1 mm時(shí)的承載力范圍Fig.10 The bearing range of metal rubber seals with different porosity when the compression amount is 1 mm

4 結(jié)論

(1)大環(huán)徑比O形金屬橡膠密封件在壓縮試驗(yàn)初期會出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折區(qū)，并且轉(zhuǎn)折區(qū)的橫坐標(biāo)隨著載荷增加而不斷增加，而轉(zhuǎn)折區(qū)的縱坐標(biāo)基本保持在同一水平即載荷為2.4 kN。且孔隙度越大，其轉(zhuǎn)折區(qū)越趨向原點(diǎn)。

(2)金屬橡膠密封件因存在不銹鋼包裹層使其相比于金屬橡膠彈性內(nèi)芯具有更強(qiáng)的承載能力，在壓縮量小于15%時(shí)，金屬橡膠密封件的承載能力就是其內(nèi)芯的4～5倍。

(3)當(dāng)4種不同孔隙度的金屬橡膠密封件受到準(zhǔn)靜態(tài)載荷且壓縮量約為30%(1 mm)時(shí)，各種金屬橡膠密封件的最大承載力可達(dá)到8～15 kN，非常適合一些載荷高的密封環(huán)境。

(4)利用最小二乘法對金屬橡膠密封件的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)遲滯曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，獲得了與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合程度較佳的多項(xiàng)式(六階)擬合方程。通過計(jì)算分析金屬橡膠密封件的靜剛度與位移之間的變化規(guī)律，可以為此類密封件的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供新思路。