【摘要】开展了低气体密封压力条件下的氟橡胶O形圈低压黏滞摩擦特性实验研究。对氟橡胶O型圈与不锈钢2Cr13摩擦副的摩擦力的时变曲线进行测量，重点分析了密封压力O型圈压缩率和滑动速度对O型圈黏滞摩擦力的影响规律。结果表明：随压缩率的增加，氟橡胶O型圈摩擦力增加，并呈现出明显的回弹特征，即滞后摩擦力增加且释放时间增加;随着密封压力的增加，其所受最大静摩擦力、滑动摩擦力与滞后摩擦力均呈现非线性变化，且存在一极大值;减小往复运动速度， 摩擦力数值增大，但摩擦力极值对应的密封压力值变小。

　　【关键词】气体密封;O型圈;黏滞特性;摩擦力

　　橡胶辅助O型密封圈材料的黏弹特性导致O型圈与金属表面相对运动时产生滞后摩擦力，其形成附加的密封端面闭合力，并影响干气密封端面的开启特性和干气密封的稳定运转。

　　橡胶O型圈的摩擦特性是密封研究领域关注的重要问题之一。国内外学者对O型圈安装与使用中的接触应力分布规律、失效形式等进行了广泛的理论研究，并开展了水润滑条件下O型圈摩擦机理的实验分析，及密封压力、压缩量和滑移速度等对摩擦规律影响的实验研究。结果表明，低速时一定压缩率的丁腈橡胶O形密封圈产生明显的力-位移滞后性。然而，对于这种由材料的黏弹性引起的黏滞摩擦特性特别是在干摩擦条件下的变化规律尚不清楚。当密封压力较低时，密封端面开启力变小，O型圈的黏滞摩擦特性对干气密封的影响更为突出。

　　文中对低气体密封压力条件下氟橡胶O型圈的摩擦特性进行了实验研究，分析了密封压力和压缩率对O型圈摩擦力的影响规律， 重点讨论了O型圈黏滞摩擦特性的时变规律， 旨在为低压干气密封设计提供参考。

　　1 实验部分

　　1. 1 试验装置

　　图1所示为O型圈摩擦试验测量装置。通过启停控制程序调节双作用式气缸的运动，从而带动摩擦杆以一定的运动速度往复运动。O型圈与摩擦杆之间的摩擦力通过拉力传感器进行测量，并转换存储到计算机中。在O型圈的安装夹具上开有进气螺纹孔，通过控制气源的出口压力，便可测得不同密封气体压力租用下，O型圈承受的摩擦力;通过改变O型圈安装夹具中沟槽的尺寸，可测定不同压缩率下O型圈所受的摩擦力。运动过程中，摩擦杆与O型圈之间保证同轴，且O型圈安装位置与摩擦杆间留有一定的间隙，以避免二者的摩擦，分别测定4个阶段O型圈的受力情况：摩擦杆开始运动阶段、摩擦杆匀速运动阶段、摩擦杆停止运动但不卸载气缸驱动力、卸载驱动力4个阶段，进而可详细分析整个往复运动过程中O型圈的运动形态。

　　图1 试验装置示意图

　　1. 2 试件

　　选择氟橡胶O型圈进行测试，与之配对的轴选择2Cr13 不锈钢。O型圈的截面直径为3. 55 mm，外径为32 mm；与之配对的摩擦杆的直径为25 mm。按O型密封圈的实际使用工况，对于往复运动，O型圈的压缩率ε一般取为 10% ～ 20%， 其计算公式如( 1) 所示：

　　式中， d为O型圈直径， h 为沟槽深度。

　　试验中所选用O 型圈沟槽的深度分别为3.23、2.9和2.79mm，代入式( 1) 可得压缩率分别为9%，18.3%，21. 4%。

　　2、结果与讨论

　　图2 是往复运动条件下O 型圈摩擦力的时变曲线。 图中O 型圈压缩率保持为 18. 3%， 密封压力分别为 0. 1 、0. 3 和 0. 5 Mpa。与摩擦杆的运动相对应， O 型圈的受力分为4 个阶段：启动阶段，此时摩擦杆开始运动，直到达到O 型圈启动摩擦力( 最大静摩擦力);滑动阶段，此时摩擦杆开始稳定运动，O型圈处于滑动状态，O型圈与摩擦杆之间的摩擦力趋于稳定;回弹阶段，此时摩擦杆停止运动，但气缸驱动力不变，O型圈摩擦力迅速释放，但若其受挤压产生变形摩擦力释放不完全，O型圈产生滞后摩擦力;摩擦力释放阶段，此时气缸驱动力卸载，O型圈与摩擦杆间的摩擦力消失，摩擦力得到释放。

　　图2( a)所示为密封压力为0.1MPa时的摩擦力时变曲线。从图中可以看出：①在启动阶段，O型圈所受摩擦力逐渐增大，直到达到启动摩擦力，氟橡胶O型圈与摩擦杆发生宏观相对滑动前，会产生预位移，并在图中所示的启动摩擦力处达到最大预位移，此时所产生的摩擦力为橡胶弹性变形产生的内摩擦力;②随着摩擦杆的进一步运动，当达到滑动阶段， O 型圈与摩擦杆间产生相对运动，O 型圈受力较均匀，仅在一定范围内波动; 继续运动至回弹阶段，随着摩擦杆停止运动， O 型圈的弹性变形得到释放，O型圈所受摩擦力迅速减小。

　　图2 不同密封压力下O 型圈摩擦力时变曲线(ε= 18. 3%)

　　图2( b) 为密封压力为 0. 3 MPa O 型圈摩擦力的时变曲线。可以看出：O 型圈所受摩擦力与图2( a) 相似， 启动阶段， O型圈所受摩擦力达到一尖点，视为最大静摩擦力; 滑动阶段， 摩擦力的波动较大;在回弹阶段， O 型圈产生的微小变形得到迅速释放， 滞后摩擦力减小。

　　图2( c) 为密封压力为 0. 5 MPa O 型圈的摩擦力时变曲线。由图可见：①启动阶段，O型圈所受摩擦力呈线性增加的趋势; ②滑动阶段， O型圈所受摩擦力逐渐减小， 并趋于平缓; 继续运动至回弹阶段， 随着摩擦杆停止运动，O型圈的弹性变形得到缓慢释放，由于压缩率较大，O型圈产生的滞后摩擦力较大，O型圈产生部分回弹， 但由于气缸驱动力的存在， 回弹不完全; 当卸载气缸驱动力之后，O型圈所受摩擦力逐渐减小，直至消失。

　　可见，随密封压力的增大，O型圈的滞后摩擦力增大，产生弹性变形后恢复原有形状所需时间增长。

　　2. 1 密封压力的影响

　　图3 所示为压缩率为 18. 3%时，氟橡胶的摩擦力随密封压力的变化规律。从图3中可以看出：①随着密封压力的增加，其所受最大静摩擦力并呈非线性增长的趋势，存在一极大值;②密封压力小于0.3MPa时，滑动摩擦力随着密封压力的增加而增加，随着密封压力的进一步增加，滑动摩擦力趋于稳定，单位长度所受摩擦力为1.25N/mm;随着密封压力的增加， O 型圈的滞后摩擦力逐渐增加，密封压力大于0.3MPa时，其值由0.01N/mm增长为0.1N/mm。

　　图3 摩擦力随密封压力的变化(ε= 18. 3%)

　　图4 是压缩率为21.4%时，氟橡胶O型圈滞后摩擦力随密封压力的变化规律。 从图4 中可以看出：O 型圈的滞后摩擦力随密封压力的增加呈明显的梯度增加的趋势。相比压缩率为18.3%的O型圈，滞后摩擦力增长明显。主要是由于压缩率增加， O 型圈受压储存的能量增加，故而回弹阶段测得 O 型圈的滞后摩擦力增加。与文献[14]中开启力对比，0. 35 MPa时，开启力为233 N;相应的O 型圈的滞后摩擦力约为86 N， 远大于驱动密封环闭合的弹簧力20 N，使得密封环的随动性变差。此时在干气密封运转过程中对于端面开启及稳定运转产生的影响不可忽略，故而设计过程中， O 型圈的压缩率在保证密封性能的条件下，尽可能小的进行设计。

　　图4 滞后摩擦力随密封压力的变化(ε= 21. 4%)

　　2. 2 O 型圈压缩率的影响

　　图5 为 0. 5 MPa 的气体密封压力下， 氟橡胶 O型圈的摩擦力随其压缩率的变化规律。从图 5 中可以看出：①随着压缩率的增加， O 型圈的最大静摩擦力逐渐增加，且压缩率为9%和18. 3%时，其所受摩擦力相差不大，由 0. 938 N/mm 增长为 1. 26 N/mm， 增长了 1. 3 倍; 而当压缩率增长到 21. 4% 时，其摩擦力迅速增加至3 . 04N / mm， 增长了3 . 2倍。②随压缩率的增加， O 型圈的滑移摩擦力与最大静摩擦力的变化趋势相同，其值较最大静摩擦力稍小。③随 O 型圈摩擦力的增加，其滞后摩擦力变化更加明显。压缩率为 9%时 O 型圈的滞后摩擦力与压缩率为18. 3%时相差不大， 均为 0. 08 N/mm 左右，当压缩率增长为 21. 4%， 其滞后摩擦力迅速增长为1. 71 N/mm， 增长了近 20 倍。 产生这种现象的原因是由于随着压缩率的增加， O 型圈与摩擦杆之间的接触面积和正压力增加，且呈现非线性变化。

　　图5 摩擦力随压缩率的变化( P = 0. 5 MPa)

　　2. 3 往复运动速度的影响

　　图6 所示为压缩率为9%的 O 型密封圈在不同往复运动速度下摩擦力随密封压力的变化曲线。摩擦杆的行程为 50 mm，摩擦杆的运动速度分别为0. 18 m/min[图 6( a)]和 0. 1 m/min[图 6( b)]。 由图6 可见：随密封压力的增加，摩擦力先增加后减小，存在一极值;随摩擦杆往复运动速度的不同， O型圈极值点对应密封压力值发生改变。

　　图6( a) 为摩擦杆往复运动速度为 0. 18 m/min时，随密封压力增加， O 型圈最大静摩擦力和滑动摩擦力先增加后减小，在0. 3 MPa 时存在一极大值，这与压缩率为18. 3%时的位置相同。O 型圈的滞后摩擦力随密封压力的增加呈现逐渐增加的趋势。

　　图6( b) 为摩擦杆往复运动速度为 0. 1 m/min时，压缩率为9%的O 型圈受力曲线图。由图可见， O型圈所受摩擦力较往复运动速度为 0. 18 m/min 时增大。随密封压力增大， O 型圈所受摩擦力先增加后减小至趋于稳定值，当密封压力为 0. 2 MPa 时取得极值， 相比于往复运动速度为 0. 18 m/min 而言， 极值点前移。此时， O 型圈的滞后摩擦力与其滑动摩擦力呈现相同的运动趋势，即先增加后减小，当密封压力为0. 2 MPa 时取得极大值。

　　图6 不同往复速度下摩擦力(ε= 10%)

　　3、结论

　　a. 氟橡胶 O 型圈的黏滞摩擦特性导致摩擦副呈现出明显的回弹特征。压缩率越大， 氟橡胶回弹特性越明显，并且随密封压力的增加，O型圈滞后摩擦力释放所需时间增长。

　　b. O 型圈摩擦力随密封压力的增大呈非线性变化，且存在一极大值。 摩擦杆往复运动速度减小，O 型圈所受摩擦力增加， 摩擦力随密封压力的变化趋势不变， 但极值对应密封压力值变小。

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