不同温度下橡胶油封单位径向力的测试与计算

徐起升，黄 乐，向 宇，张晓辉，肖风亮

（广州机械科学研究院有限公司，广东 广州 510700）

径向力是橡胶油封（以下简称油封）密封性能的重要参数[1-3]，也是控制油封生产质量的主要指标。

从第二次世界大战末期内置弹簧两半轴油封径向力测量仪发明以来，先后开发了多种油封径向力测量仪，并不断制修订油封径向力测试标准，如HG/T 2069—2004《旋转轴唇形密封圈两半轴式径向力测定仪技术条件》和DIN 3761-10—1984《汽车用唇型旋转轴密封件 第10部分：试验、试验机器和规范》。油封径向力测量仪的出现为油封设计和质量检测提供了保证。但径向力测量仪只能测量特定规格的油封径向力，因此径向力工程计算法具有重要的工程意义。

常温下油封径向力的变化规律已有较深入的探讨[4-8]，但温度对油封径向力的影响研究却很少。

本工作采用高温径向力测量仪测量不同温度下油封单位长度径向力（即油封单位径向力），并将测量结果与工程计算法的计算结果进行对比，为工程计算中油封材料的弹性模量选取提供参考。

1 油封径向力测量原理

高温油封径向力测量仪如图1所示，其测量轴由两个半轴组成。两个半轴安装在温控箱内，通过温控箱可以设置不同的试验温度。

图1 高温径向力测量仪

测量轴的两个半轴一个为固定半轴，另一个为活动半轴，活动半轴同时与电阻应变片式力传感器相连。测量时将油封套在两个半轴上，使活动半轴移动到整圆位置，活动半轴通过力传感器，测得油封径向力的垂直分力，然后通过自动运算将垂直分力转化为单位径向力并将其输出[3]。

高温油封径向力测量仪的测试原理如图2所示，F为油封径向力的垂直分力，Pr为油封单位径向力。

图2 高温油封径向力测量仪测试原理

2 径向力工程计算法

工程计算法是处理工程实际问题最为简单有效的方法之一，油封径向力的工程计算主要基于以下3个假设：①轴的刚性足够大，在工作过程中不发生形变；②在小变形条件下橡胶材料是完全弹性的；③在小变形条件下忽略油封的截面面积变化。

油封在工作时，唇口与轴处于过盈装配状态，唇口的过盈量对轴产生一定的抱紧力Pe，腰部由于变形对轴产生一定的弹力Pw，唇口安装的金属弹簧对轴产生径向紧箍力Ps。这3个力相叠加形成油封对轴的径向抱紧力，就是单位径向力。

式中，δ为油封内径与轴直径的过盈量，E为油封材料的弹性模量，A为油封唇口截面积，r为测量轴半径，Sm为油封腰部厚度，L为油封腰部长度，D为工作状态下弹簧内直径，Pc为弹簧张力。

将式（2）—（4）代入式（1）得

油封在使用过程中，由于旋转轴线速度不同，油封径向力不同，一般为100～200 N·m-1。在高速使用条件下，油封径向力偏低值（95～130 N·m-1）；在低速使用条件下，油封径向力偏高值（150～220 N·m-1）。

油封径向力过小，密封性能不可靠；径向力过大，由于轴高速旋转，唇口摩擦加剧，摩擦扭矩和温升很高，加速了油封损坏，大大缩短了油封的使用寿命。

3 实验

3.1 试样

丁腈橡胶油封。

3.2 主要试验设备

高温径向力测量仪和高低温材料试验机。

3.3 性能测试

油封径向力按照《JFJ-G800型高温精密油封径向力测量仪使用操作手册》测试；拉伸试验按照GB/T 528—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能》进行；压缩试验按照GB/T 7757—2009《硫化橡胶或热塑性橡胶压缩应力应变性能的测定》进行。

每组试验测试3个试样，取3个测试值的平均值。试验温度为25，50，80，100 ℃，试样在试验温度下静置10 min后进行测量。

4 结果与讨论

选取规格为Φ45×Φ60×8的丁腈橡胶油封作为研究对象，油封结构如图3所示。油封结构测量参数为：δ＝1 mm，A＝10 mm2，r＝45 mm，Sm＝1.2 mm，L＝3 mm，D＝48.2 mm，Pc＝1.8 N（弹簧伸长约5%）。

图3 油封结构示意

油封材料（丁腈橡胶胶料）不同温度下的拉伸和压缩弹性模量分别如图4和5所示。

从图4和5可以看出：随着温度的升高，油封材料的拉伸和压缩弹性模量均呈下降趋势；在相同温度下，油封材料在不同拉伸率下的拉伸弹性模量和不同压缩率下的压缩弹性模量均不同，这是橡胶材料的非线性造成的。

图4 不同温度下油封材料的拉伸弹性模量

依据油封材料的弹性模量测试结果，通过工程计算式（5）计算的不同温度下油封单位径向力与高温油封径向力测量仪测试的油封单位径向力对比如表1和图6所示。

图5 不同温度下油封材料的压缩弹性模量

由表1和图6可以看出，与油封材料弹性模量随温度升高而下降的趋势类似，油封单位径向力随着温度的升高而降低。根据工程计算法，采用不同油封材料弹性模量计算得出的油封单位径向力相差较大，其中采用拉伸弹性模量计算得出的油封单位径向力比采用压缩模量计算得出的油封单位径向力更接近实测的油封单位径向力；采用50%拉伸率下弹性模量计算得出的油封单位径向力与实测的油封单位径向力最接近，且4个温度下的计算值与实测值误差均不超过5%。

图6 油封单位径向力-温度关系曲线

表1 不同温度下油封单位径向力的工程计算值与实测值对比

5 结论

（1）采用高低温材料试验机测试的丁腈橡胶油封材料拉伸和压缩弹性模量与采用高温径向力测量仪测试的丁腈橡胶油封单位径向力均随着温度的升高而降低。

（2）根据工程计算法，采用材料拉伸弹性模量计算得出的油封单位径向力比采用压缩模量计算得出的油封单位径向力更接近实测的油封单位径向力；采用材料50%拉伸率下弹性模量计算出的油封单位径向力与实测的油封单位径向力最接近，误差不超过5%，该拉伸率下计算得出的油封单位径向力具有较好的工程应用价值。