Page 5 - 《摩擦学学报》2021年第3期
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294                                     摩   擦   学   学   报                                 第 41 卷

                 increase of loading amplitude aggravated the fatigue wear of metal rubber seals in varying degrees. This study provided
                 data on fatigue life performance research of O-shaped metal rubber seals, and also certain reference for the prediction of
                 fatigue life of metal rubber seals in practical engineering applications.
                 Key words: large ring diameter ratio; metal rubber; fatigue mechanics; life test; sealing element

                                                                                             [11]
                密封技术是工业领域的共性技术之一，密封元件                          温(300 ℃)这类大温度区间内工作 ，区别于传统橡
                                                                                        [12]
            适用范围广泛，大量应用于工业领域，它对于工业产                            胶的工作温度区间. 夏宇宏等 阐述了压缩变形量对
                                                                                                     [13]
            品的“三漏”(油、水、气体)以及外部杂质，微小介质侵                         金属橡胶密封件接触压力的影响. 赵宏宇等 以材料
            入具有抵抗作用，为机械产业提供必不可少的重要基                            膨胀系数为参量，建立金属橡胶的数学模型. 袁涛                     [14]
                [1]
            础件 . 但是在航空航天、核电和化工等领域，密封件                          在气体密封件中使用金属橡胶材料，理论计算得到气
                                                                                   [15]
            的使用环境恶劣，一些高精密、重大装备设备中的零                            体泄漏率的公式. 王亮 以密度为变量，确定金属橡
                                                  [2]                                   [16]
            部件对密封防泄漏性能的要求也越来越严苛 .                              胶密封件的力学模型；李远超 推导了温度影响下的
                密封件在交变载荷中经常发生疲劳破坏，从而影                          金属橡胶密封件的力与位移关系式，并建立密度对于
                                                                                                   [17]
            响工件的使用寿命和性能. 因此，越来越多学者研究                           金属橡胶密封件的力学特性试验. 姜雨薇 通过试验
            密封件的疲劳问题，疲劳磨损在密封系统中是极为重                            得到，不同丝材导致金属橡胶密封件的接触应力分布
            要的. Gent和Marteny 研究了施加载荷的顺序和方式                     不同，且金属橡胶密封件的泄漏率随着接触应力的减
                              [3]
            对橡胶材料的损伤影响，发现常用于分析金属材料疲                            少而增大. 卢成壮等 通过分析疲劳断口结果表明，
                                                                                 [18]
            劳损伤的Minert线性损伤累积理论因为橡胶材料固有                         发生单相奥氏体组织有利于提高金属橡胶的疲劳强度.
                                            [4]
            特性而不适用于橡胶材料. 刘宇艳等 利用建立了疲                               根据上述现有资料显示，目前有关O形金属橡胶
            劳力学的寿命模型，通过试验确定相关参数. 欧阳小                           密封件的研究主要集中在研制径比小的密封件、金属
                 [5]
            平等 以表面磨损失效理论和断裂力学为依据，通过                            橡胶与高分子外包覆的设计结构等方面，但大环径比
            有限元法对O形圈模型进行仿真，获取接触压力与磨                            且用不锈钢包覆的金属橡胶密封件研究较少. 金属橡
            损速率的关系，并计算O形密封圈的疲劳寿命，为航空                           胶又是一种累加损伤的材料，寿命长且性能相对稳
            密封件产品提供相关理论依据. 综上所述，目前针对                           定，但目前国内外尚未对加了不锈钢套的金属橡胶密
            O形密封圈的研究主要为选制密封材料及优化设计密                            封件进行寿命评定，为此，本文作者针对大环径比O形
            封结构，以及通过有限元工具研究性能的影响参数.                            金属橡胶密封件在实际工程应用中的影响因素，对密
                大部分学者都是以橡胶为密封件的材料作为研                           封件进行多变量动态疲劳试验获得一定的试验结果，
            究条件，但橡胶材料自身的性能限制了密封件发展，                            为金属橡胶密封件的疲劳损伤研究提供基础.

            橡胶材料不易在大温差下正常工作，其在高温下易老
                                                               1    O形大口径MR密封件制备
            化、低温下易脆裂，难以承受较大的压力，超过橡胶的
                                                [6]
            耐用指标和安全阈值，就会出现破坏失效 . 对于这样                              本次制备的金属橡胶密封件外径为283 mm，内径
            的苛刻环境国内常用的密封橡胶难以满足使用要求，                            为276 mm，截面直径为3.5 mm，包裹层材质需选金属
            进口密封件价格高昂等因素限制发展. 因此，自主研                           类材料，包裹层厚度为0.5 mm，金属橡胶内芯截面直
            发和探索在特殊工况下的高性能密封件，一直是国内                            径为2.5 mm，金属橡胶内芯材料为不锈钢材质，密封
            密封防泄漏领域的主要研究课题之一.                                  圈的环径比为552:7，属于大环径比O形密封圈. 结构
                金属橡胶最早起源于美国，20世纪70年代，俄罗                        简图如图1所示，工艺流程包含两个部分，分别是金属
            斯萨马拉国立航空航天大学进一步研究金属橡胶，并                            橡胶制备和包裹层制备，制备流程如图2所示.
            应用于航空航天领域和民用领域 . 金属橡胶是一种                               其中金属橡胶制备第一步先选丝，不同材质会带
                                         [7]
            弹性多孔材料，外载荷可以使金属丝压缩、回弹及阻                            来不同的材料力学性能，本次选用了丝径为0.15 mm
            尼耗能等作用，金属橡胶经过金属丝绕制成型、螺旋                            的不锈钢丝，然后采用螺旋卷金属丝定螺距拉伸机进
            卷定螺距拉伸、编织毛坯、冷冲压成型、超声波清洗等                           行卸力拉伸螺旋状金属丝，其中螺旋卷的螺距与其直
            工艺制备而成，其内部是由螺旋状金属丝相互勾连形                            径大致相等，保证啮合效果和后续在压制金属橡胶毛
            成的空间网状结构         [8-10] . 由于金属橡胶的阻尼性能对             坯时体积稳定性最高          [19] ；接着用自动缠绕机进行缠
            温度的不敏感，使得金属橡胶可以在常温(25 ℃)至高                         绕，完成毛坯的制作，用冲压机对毛坯进行冷冲压，得
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