1 用于往复运动的柔性密封的摩擦学研究.docx

1、1 用于往复运动的柔性密封的摩擦学研究用于往复运动的柔性密封的摩擦学研究(M.Kaneta H.Todoroki H.Nishikawa Y.Kanzaki Y.Hawahara）摘要：利用单色光干涉技术可以直观的观察横截面为D形或唇形的带状丁腈橡胶与震荡玻璃盘间润滑油膜形成的动态过程，同时也可测量摩擦力。密封件的横截面形状和冲程长度对油膜的形成和摩擦特性的影响同表面缺陷的影响一起被讨论。以试验数据为基础，确定使油膜破裂的条件。同时说明通过贝克曲线来区分的润滑方式需要重新审议。1 简介 柔性密封的密封和摩擦特性需要运用弹性流体动力润滑理论进行讨论。然而，现阶段通过弹性流体动力润滑理论来分析按正

2、弦速度变化的往复柔性密封的动态特性是很困难的。勃洛克已经指出：两面接触当其中一个接触面弹性模量非常小时油膜轮廓对压力分布的影响非常小，而且提出了流体动力润滑的反演理论。在此理论中油膜压力分布被优先推导给出，同时需要与动态润滑相关的的润滑油膜剖面。这个理论是弹性流体动力润滑的一种极限情况，已经被成功的用于解释往复柔性密封的密封和摩擦特性。根据反演理论，内外冲程的油膜厚度主要取决于每个冲程上的最大压力梯度，因此，净渗漏和摩擦力的数量级主要取决于最大压力梯度。渐渐的往复运动的环境从弹性流体动力润滑过渡到非动态润滑似乎是粗糙的接触面、乏油、流体动力不稳定引起的。很多的研究已经证明对于光滑的表面，粗糙面

3、接触发生在最小弹性流体动力润滑的油膜厚度小于两接触面的粗糙度之和时。乏油的发生是由于在先的冲程带入的气泡并在接下来的冲程中保留在了入口处。动压不稳的发生是由于冲程的长度对宽度的比率小于了临界值。然而，除了乏油外的其他情况很少通过摩擦的测量直接估计。为了更详细的讨论往复柔性密封的润滑油膜破裂的条件，必须像贝克、KoenS、Robert和Tabor那样直接观察橡胶的摩擦表面。就此而论，作者利用单色光干涉技术直观的观察了横截面为唇形的橡胶与震荡玻璃盘间润滑油膜形成的动态过程，并且获得了一些重要结果。这项研究的目的是基于直观的观察橡胶表面，从而确定往复柔性密封中的密封件横截面形状、表面粗糙度、冲程长度

4、对润滑特性的影响。2 实验步骤2.1 仪器 图 1 图1为实验仪器的原理图。为了直观的观察橡胶表面间的润滑油膜，压制好一条长125mm，宽3mm丁腈橡胶试样，用适当的力压在边长为150mm，厚10mm，折射率为1.5187的正方形玻璃板上.它的橡胶表面用半反射的铬层喷溅。橡胶试样稳定不动，玻璃盘在速度方向上做往复正弦运动。 在橡胶试样的上面通过滚柱泵供应润滑油。润滑油分流到橡胶试样的两边，在被压缩的空气流往外吹出两边。橡胶面间的摩擦力通过安装在水平臂上的应变仪测得，用数据记录器记录测得的结果，并用同步检测器检测，同时用位移传感器测量玻璃盘的位移。润滑油膜的形状和厚度通过单色光干涉技术测得。用录

5、像机记录用汞灯穿过绿色带状过滤器照射试样得到的干涉图像，同步用彩色电视摄像机监测。光轴被特别安置使得入射角和反射角都是55。根据斯奈尔定律，亮条纹或暗条纹间的油膜厚度大约为0.198um。油膜厚度由计算明暗条纹数决定，油膜厚度与测量亮度得到的中间亮度相一致。频率大于等于2HZ时条纹分析是不能实现的，因为摄像机反馈图像的频率小于2HZ。然而，作者认为高速运行下得到的数据更有实用性，因为大部分的实际工作情况都是高速。密封性将受粘弹性的影响。这可能是将来的一个研究重点。2.2 实验环境 表 1 运用三种不同粘度等级的链烷矿物油。它们的性能列在表1中。实验在室温条件下进行，正弦往复运动的冲程为1mm到

6、3mm，频率范围为0.05HZ到6HZ。D形试件的接触载荷为49 N，唇形试件为78N。相应的接触宽度为0.54mm和0.35mm。每次实验持续时间为5分钟，这足够得到稳定的结果。在这份报告中，pumping和motoring冲程都是用于描述玻璃盘的运动方向，分别用P和M表示。Pumping冲程表示玻璃盘下降或向空气侧运动，motoring冲程表示玻璃盘向上或向油侧运动。2.3 橡胶试样 图 2图2中给出了橡胶试样的剖面图，同时附带与施加载荷相一致的压力分布。表2中给出了每种丁腈橡胶的机械性能。每种试样都是模塑制造。然而，图2（b）中的角和环形唇封都是用刀子割出的。 表 2 这些试样经过两个小

7、时的磨合后将用于实验。经过两个小时的磨合后唇部顶端的表面粗糙度的平均值大约为0.04mm，在滑动方向上的大约为0.3um。在所有的实验完成后这么数据仍然被保留。对于D形密封圈在经过两个小时的磨合后在滑动方向上的的误差为0.08um。图2中给出了用有限单元法计算获得D形试样的压力分布，同时对于唇型试件通过在油泵杆上的合适位置开小口，在此处施加力平衡以存在的压力，从而获得压力分布。从图2中发现pumping和motoring冲程的压力分布略有不同。3 反演理论 图 3图3中给出了在上一节中提到的pumping和motoring冲程的定义和压力分布原理图。根据反演理论，存在稳定油膜的两个满足的必要条

8、件为：1 对于每个冲程压力梯度dp/dx有一个解析的最大值。正如在图3中给出的，压力分布曲线有两个弯折点，在这两个点上压力梯度取最大值。2 对于每个冲程临近入口处的油膜厚度大小用公式 （1）计算得到的数值。往复运动中速度一致，pumping和motoring冲程在最大压力点上的油膜厚度都是 (2)摩擦系数为 和 （3） 用以下的公式可以对正弦往复运动平均速率下的渗漏量做没有太大误差的估计 (4)因此，密封条件可以用下式表示 leakage (5a) Sealing (5b) negative Sealing (5c)图2中显示的每个压力分布曲线看上去都没有弯曲点。然而，考虑到现存的油膜压力合并

9、成为压力分布曲线。最大油膜压力梯度可以用入口处的平均压力来估计。如果满足空气和油侧幽油膜都存在的条件，就可以用下面的关系式表示1 对于D形试样：2 对于唇型试样：3 唇型试样的的值远大于D型试样4 实验结果和讨论4.1 密封件横截面形状的影响 图 4图4给出了冲程为30mm时唇型和D型的斯特里贝克曲线。正如后面解释的两个冲程上的值基本相同，在pumping和motoring冲程的中心处的平均摩擦系数，与工况参数G相反。并且，唇型的摩擦系数在G的范围内都是大于D型的，正如等式3所期望的。对于D型试样在区间满足关系式与等式3一致，而对于唇型试样则是在区间上满足。被称为工况系数，可能从弹性流体动力润

10、滑向混合润滑过渡。 图 5 、6图5和图6给出了对于唇型和D型试样的摩擦力和油膜厚度在一圈之内的变化。平均油膜厚度通过分开在接触宽度范围内的油膜厚度分布的值获得。对于唇型试样，由于满足关系式，在pumping冲程中心位置的油膜厚度小于motoring冲程，而摩擦系数大于motoring冲程。然而，摩擦系数和油膜厚度对于pumping和motoring冲程基本上是相似的。发生这种现象的原因则是在以前的文章中已经解释过的pumping冲程中的渗漏非常小。因为在motoring冲程靠近入口侧乏油导致motoring全冲程中的油膜厚度薄，也导致摩擦系数大。同样的原因，正如在图5中给出的，在motori

11、ng冲程的最后和pumping冲程的开始处摩擦系数急剧上升。当在空气侧供应大量的油时，摩擦力上升被抑制，尤其是在motoring冲程的最后。假使没有足够的泄漏，那么可以认为对润滑特性的影响微乎其微。另一方面说，假使D型试样由于的值很小，并且，从而出现大的渗漏。结果，油膜和摩擦性能对于motoring和pumping冲程基本相似。对于相同的G，整体油膜厚度唇型试样比D型试样薄，这正是等式2所期待的。因此，我们可以得出密封件的横截面形状控制着柔性往复密封的润滑性能的结论。4.2 临界工况参数临界工况参数的值与唇型试样的表面粗糙度相关，在区间上配合表面可能发生直接接触。实际上，从干涉条纹图样判断，在

12、的区间上油膜的局部破裂观察不到。然而，需要指出的是对于唇型试样在区间表面间的直接接触就不发生了，对于D型试样也是如此。在区间上，表面的直接接触不可观察到。在区间，油膜的破裂只发生在冲程的最后；随着G的减小接触比例逐渐上升。假使G=3处的直接接触被观察到，在干涉图的分辨率范围内，几乎整个往复过程的接触区域，在滑动方向上的产生大的弹性变形，例如在行程为1mm，除了刚开始的几圈外无法观察到。因此可以得出在区间上，油膜破裂不一定发生，尽管随着G的减小，摩擦力逐渐升高和如图5、6给出的在两个冲程的最后都有尖锐的峰值。DowSon和Jin通过大量的实验分析指出在咬合的滑膜关节中显微弹流润滑能够抚平软骨的最

13、初的粗糙。在目前的情况下也引起同样的情况。随着G的减小橡胶试样的粗糙度逐渐减小。在柔性往复密封中显微弹流润滑有非常重要的作用。然而，现在的研究表明，玻璃盘的表面粗糙度小于橡胶试样。Kawahara通过实验得出主要由密封安装轴的表面粗糙度决定。结果，的描述可能要依靠密封安装的轴和密封件的粗糙度来确定。至少，假使对于粗糙度可以忽略的硬材料和软材料相比，在贝克曲线的基础上润滑方式的区别就要重新审议。也就是说，假使密封件用在一个G非常低的情况下，密封表面应该尽量的光滑，以使表面被油膜保护。4.3 油膜的形成和临界冲程长度 图 7 图7显示在玻璃盘在最上边突然运动时，压在D型试样上的摩擦力发生突变。摩擦

14、力在最上边时有峰值，在pumping冲程的开始和motoring冲程的最后附近，在这些位置处可以看到直接接触。峰值随着往复次数和泄漏量的增加而衰减。五圈后，摩擦力曲线趋于稳定。这个事实表明，即使在的区间上，运动开始的几圈，在上部顶点处存在直接接触。 图 8图8显示出在稳定后半个pumping冲程中的油膜剖面变化；伴随着玻璃盘或油往空气侧移动。应该注意到当保持油膜厚度不变时，最小油膜厚度出现在顶端死点油膜侧附近。图9显示最小油膜厚度位置的移动和玻璃盘的移动的对比。油膜最小厚度位置的移动距离大约为玻璃盘移动的一半。这意味着中心位置处的油膜厚度始终受它上游位置处油膜的影响。 图 9作者发现玻璃盘与一

15、个钢珠接触当移动两个赫兹接触的直径时产生完全弹流润滑。Ikeuchi通过对油膜变化做大量的仿真模拟得出不接触固体的最小滑动距离是最初的接触宽度的两倍。也就是说，玻璃盘不得不移动两个接触宽度，以达到油膜分开接触表面的目的。当冲程无穷小时，在滑动方向上冲程长度对冲程宽度的比，从以上的结论得出临界冲程长度，从而得到比值为2。也就是说当冲程小于临界冲程时，往复运动的表面永远不可能完全分离。4.4 冲程长度的影响 图 11图10中显示出对D型密封件的工况参数G与最大摩擦系数的对照图。需要指出的是，在G的取值范围内处G的取值基本相同。然而，S=1mm处的不随着G的变化而变化。图11显示S=3mm处的摩擦力

16、和油膜厚度的变化。图12和13与6和7对照，显示油膜剖面随时间的变化。尽管在S=30mm和S=3mm时G点的最大摩擦力几乎一样，但是摩擦力和油膜厚度的变化却有很大不同。在相同的工况参数的情况下，随着冲程的增长，加速度的振幅逐渐减少。此外，已经指出对于特定位置处以前的局部油膜厚度受到上游油膜的影响；随着冲程的减小效果愈加显著。因此，假使冲程长度与接触宽度相比足够长，摩擦力和油膜厚度与相应的匀速度相匹配。对于S=30mm的情况，平均油膜厚度在冲程中心取最大值，在两个冲程的最后都去最小值。另一方面说，冲程长度足够短，速度的变化将要影响摩擦力和油膜厚度剖面。对于S=3mm的情况，将存在区间使得它上面的

17、油膜在加速时减薄，在减速时加厚。正如在图5中看到的相同的现象在S=30mm时也可以确认，尽管程度很小。上述现象也在硬弹流润滑中被发现。 图 12 图 13 对于S=1mm的情况，在整个接触区间上动力润滑油膜的形成都不可能被观察到，因为。因此在往复运动的密封区域一定会发生直接接触的情况；随着G的减小，接触区域也逐渐减小。结果，如图14的摩擦力分布图显示，建立了往复运动弹性变形的橡胶试样。 图 14 图 15图15给出了在S=1mm和S=3mm之间的S=1.5mm处的中间现象，获得的结果是在区间GGC上与S=3mm处相似，在区间上与S=1mm处相似。对唇型试样有相似的结果。4.5 表面缺陷的影响图

18、16和17显示D型试样表面存在凹凸时的干涉图。冲程为S=30mm。假使在接触面上存在凹陷，厚膜往下游侧延伸或者在pumping和motroing冲程上箭头所指的方向。厚膜的影响区域在冲程最后附近影响最大，在超过冲程中心或者最后时逐渐减少。这种厚膜看起来是由凹陷造成的契形薄膜响应带来的。由于缺陷引起的边缘整体油膜厚度的增加和减小可以解释冲程为什么影响膜厚。 在motoring冲程中，假使在接触的空气侧的边缘处存在凹痕，由于上述的相同原因厚油膜向下游侧延伸的趋势同样存在。而对于pumping冲程凹痕永远不会影响油膜厚度。从另一方面说，假使在接触的空气侧的边缘存在凸起，在motoring冲程中凸起的

19、下游侧的薄油膜趋于放射到整个接触宽度。薄的径向油膜宽度在冲程中心获得最大值。薄油膜的产生是由于凸起阻碍了油流入接触区产生的。同凹痕一样，在pumping冲程中凸起也不影响油膜厚度。尽管相同的现象对于唇型试样也有发生，但是还没有做详细的分析。因为这种缺陷的影响存在局限性，整体的油膜厚度和摩擦力不受这种缺陷的影响。然而，密封特性可能被这种缺陷影响。5 结论利用单色光干涉技术直观的观察带状丁腈橡胶与震荡玻璃盘间润滑油膜形成揭露了往复柔性密封的润滑特性。主要结论总结如下：1 往复柔性密封的润滑特性主要受motoring和pumping冲程的压力分布上升侧的最大压力分布、工况参数G、冲程长度与接触宽度的

20、比控制。2 临界工况参数控制摩擦特性。当时，随着的增长，摩擦系数逐渐增加；当时，随着G的减小，摩擦系数逐渐增加，在冲程的最后摩擦系数最大。3 Pumping和motoring冲程的最大压力梯度由柔性密封件的横截面形状定义。唇型密封件的横截面在靠近油液侧的斜角导致在G的整个范围内油膜更薄、摩擦系数更大、更大，相比较D型横截面有光滑的。4 在滑动方向上如果冲程长度对接触宽度的比小于2，至少会发生局部的油膜破裂或接触表面粘附，对于整个往复过程，由于柔性密封的弹性变形会造成的弹性变形会造成更大的往复运动。5 在时，很少发生油膜破裂。然而，假使G不变，油膜厚度和摩擦系数明显随着冲程长度或加速梯度的变化而变化。6 尽管在时，和摩擦特性有重大变化，表面间的直接接触尽管不是必须的但是一直存在，即使在时；假如匹配表面的粗糙度与橡胶试样相比至少可以被忽略，仅当G的值减小到非常小时才会发生表面接触的情况。因此应非常注意贝克曲线基础上的润滑方式的区别。7 当时，润滑特性有G决定，时结论（5）成立，当时，结论（4）成立。8 当整体油膜都非常薄时，在密封面上存在的凹痕将造成凹痕下游油膜厚度的增加。在实际密封中这可能引起渗漏。