如何優(yōu)化密封件摩擦

如何優(yōu)化密封件摩擦

密封件的摩擦，尤其是密封件引起的遲滯爬行現(xiàn)象可通過(guò)改變材料的化學(xué)成分有目的的施加影響。在改變密封件材料的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員必須牢牢把握密封件磨損和擠壓性能的變化。

今天對(duì)密封件（見(jiàn)圖1）生產(chǎn)廠(chǎng)家提出的要求是在提高效率和系統(tǒng)可用性的同時(shí)具有很好的環(huán)保性能。這一要求可通過(guò)多種途徑來(lái)滿(mǎn)足，其中一種方法就是通過(guò)改變密封件的化學(xué)組成成分，以改善其摩擦性能，提高系統(tǒng)的整體效率。而承受動(dòng)載荷的密封件還承擔(dān)著更加艱巨的任務(wù)——盡可能的延長(zhǎng)潤(rùn)滑油膜的使用壽命、減少摩擦并避免泄漏。若密封件的摩擦過(guò)大，就會(huì)出現(xiàn)不均勻運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致嚴(yán)重的爬行和粘滑現(xiàn)象。此外，現(xiàn)在密封件廠(chǎng)家越來(lái)越傾向于使用適于在低黏度介質(zhì)中使用的彈性體材料和熱塑性材料，所以當(dāng)密封件承受高壓和高溫負(fù)載或者長(zhǎng)時(shí)間閑置重新開(kāi)機(jī)運(yùn)行后就很容易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。如氣缸在停機(jī)后重新工作時(shí)往往就會(huì)由于較低的驅(qū)動(dòng)力而無(wú)法正常運(yùn)行。

圖1 液壓缸活塞桿密封圈

密封件的摩擦優(yōu)化

幾乎所有由彈性體材料和熱塑性材料制造的密封件在靜止后都會(huì)出現(xiàn)較大的靜摩擦。引起靜摩擦的原因有很多種，而主要原因還是在于材料本身。另外，密封件密封唇的幾何形狀對(duì)運(yùn)動(dòng)方向變化時(shí)的反應(yīng)以及潤(rùn)滑材料和滑動(dòng)表面的情況也對(duì)靜摩擦的大小有著較大的影響。（見(jiàn)圖2）。

圖2 摩擦學(xué)系統(tǒng)：密封－相對(duì)滑動(dòng)表面－潤(rùn)滑

Praedifa工藝技術(shù)研究中心的一項(xiàng)重要工作就是密封件的摩擦優(yōu)化。進(jìn)行密封件摩擦優(yōu)化的目的是降低設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后重新起動(dòng)時(shí)所需要的起動(dòng)力和減小各種工況下動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)密封件的摩擦力。

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)之后，Praedifa工藝技術(shù)研究中心獲得了大量常見(jiàn)液壓和氣動(dòng)密封件的摩擦性能與密封件材料、潤(rùn)滑材料及滑動(dòng)速度之間的詳細(xì)信息，并將其反饋給密封件生產(chǎn)廠(chǎng)家。另外，密封件生產(chǎn)廠(chǎng)家還可從這個(gè)研發(fā)中心了解到有關(guān)密封件幾何形狀和尺寸及物理邊界條件，如表面材料、壓力和溫度等方面的信息（見(jiàn)圖3）。在進(jìn)行上述試驗(yàn)的同時(shí)，Praedifa工藝技術(shù)研究中心還對(duì)標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀尺寸的不同材料的摩擦和磨損進(jìn)行了基本性能的試驗(yàn)，其中最重要的是對(duì)不同材料的靜摩擦系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)的測(cè)定。本文將利用熱塑性塑料TPU聚酯材料的試驗(yàn)對(duì)整個(gè)過(guò)程加以解釋。TPU聚酯材料依據(jù)其大分子結(jié)構(gòu)可分為聚酯基和聚氨酯基兩類(lèi)聚合物材料。表中給出的是Parker公司該聚酯材料液壓密封件的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、材料特性數(shù)據(jù)和主要特性。

圖3 活塞桿液壓密封圈摩擦力檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)

靜摩擦系數(shù)的試驗(yàn)明顯的表示出了靜摩擦系數(shù)與材料硬度、基本材料、使用的聚合劑及填充材料種類(lèi)之間的相互關(guān)系（見(jiàn)圖4）。

圖4 TPU材料的靜摩擦系數(shù)（由每組3次試驗(yàn)得出的平均數(shù)）

摩擦力與壓力呈正比變化

在對(duì)活塞桿液壓密封件進(jìn)行的試驗(yàn)中，沒(méi)能直接得出密封件材料的硬度與靜摩擦系數(shù)之間的關(guān)系。而在確定其滑動(dòng)摩擦系數(shù)的試驗(yàn)中僅得出“較軟”的材料，如P5080，具有較低的粘滑作用。

Parker公司研發(fā)生產(chǎn)的液壓密封件用TPU材料

但在進(jìn)行的所有試驗(yàn)中都存在一個(gè)共性特點(diǎn)，即摩擦力會(huì)隨著壓力的增大而增大。當(dāng)摩擦力增加至“形變壓力”時(shí)，即密封件完全貼合在活塞桿上時(shí)將不再增加。形變壓力的大小與密封件的材料有關(guān)。對(duì)于由B3型P5080材料制造的活塞桿密封圈（液壓技術(shù)領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)材料）在滑動(dòng)速度小于0.1m/min、壓力超過(guò)5MPa時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)爬行。而隨著工作溫度的升高，爬行將會(huì)更加嚴(yán)重。試驗(yàn)證明，用TPU P5001材料制造的耐低溫U形密封圈的爬行性能最好。這種密封圈在活塞桿速度小于0.03m/s時(shí)才會(huì)出現(xiàn)較明顯的爬行。若在摩擦系數(shù)較低的P5080材料中添加減磨性能更好的聚合物材料，即使是在很高的壓力下其也能夠顯示出比標(biāo)準(zhǔn)的P5001和P5008材料更小的摩擦阻力，而且爬行趨勢(shì)也明顯降低。利用這種材料制造的密封件已成功用于各工業(yè)領(lǐng)域，如敞篷車(chē)車(chē)頂?shù)膬?nèi)襯密封。材料的優(yōu)化僅是密封件研發(fā)工作中很小的一部分，其得到了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的補(bǔ)充和支持，也得到了有限元法分析的支持。

通過(guò)密封件材料的改進(jìn)，可以有目的的對(duì)密封件的摩擦阻力和爬行性能施加影響；但是在密封件材料的改進(jìn)過(guò)程中還要考慮材料改進(jìn)對(duì)耐磨性能和擠壓性能的影響。萬(wàn)能的適用于各種工作情況的密封件材料是不存在的。Parker公司提供的密封件標(biāo)準(zhǔn)材料雖然能夠滿(mǎn)足大多數(shù)使用場(chǎng)合的要求，但是現(xiàn)代化的機(jī)床制造業(yè)、汽車(chē)制造業(yè)和設(shè)備制造業(yè)總是不斷的對(duì)密封件材料提出新的和更高的技術(shù)要求。根據(jù)對(duì)密封件材料牢固的不斷增加的認(rèn)識(shí)和了解，能夠通過(guò)對(duì)密封件材料成分的“修改”使其適應(yīng)不同工作情況的需要。在相應(yīng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)加工工藝技術(shù)的配合下，不久將有新的具有獨(dú)特性能的密封件材料研發(fā)成功并投入生產(chǎn)。