Page 138 - 摩擦学学报2025年第4期
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626 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷
正应力的平均值作为评估密封性能的重要参数. 次 v
A (a)
[54]
年，廖日东等 利用商业有限元软件，基于Mooney-
Reylin本构关系，建立了O形圈仿真分析模型，分析了 λ
接触压力随压缩率和温度的变化. 辅助密封在材料、 v (b)
变形和接触方面存在非线性特征，ABAQUS有限元分 A
析软件在处理非线性问题上更具优势，在橡胶密封的
应力应变和接触特性有限元分析中应用也较多 [55-56] . v (c)
A′ A
在数值仿真模型中施加往复运动，可以提取到接
[58]
[57]
触界面上的切向摩擦应力. 丁雪兴等 、吴琼等 和 Fig. 6 Simplified stick-slip model of adhesion : (a) “adhesion”
[64]
[59]
桑园等 从补偿环追随性的角度仿真计算了O形圈的 takes place at points A; (b) elastomer sample moves a distance
接触摩擦应力，指出协调密封性能和摩擦性能的关键 λ at velocity v, and frictional drag is developed. Elastic energy
is stored in element; (c) adhesion at A′ fails (energy stored in
主要在于压缩率的选取，从补偿环追随性来看，在保 element is returned in part to system, new
证辅助密封的密封性能的前提下，应该尽量降低其辅 point of attachment at A)
[64]
助密封的压缩率. 数值仿真是分析辅助密封接触特性 图 6 黏着简化黏滑模型 ：(a)黏着发生在A点；(b)弹性体
移动距离λ，产生摩擦阻力. 能量存储在弹性体中；
的高效手段，具有准确性好和适应性广的优势. 但模
(c) A′处的附着力失效(存储在元件中的能量
型的建立需要准确的材料本构关系和边界条件等，这 部分返回到系统，A处形成新黏着点)
在现有的研究中重视不足，还需要相应试验对关键参
辅助密封配副材料根据机械密封不同的工况环
数进行修正.
[60]
精确的接触压力分布是获得准确摩擦力的关键 ， 境而选用，不同配副下的摩擦系数也有一定的差距，
[52]
能定性的获得对动特性的影响 . 同时，在摩擦力非 载荷、行程和频率是分析摩擦系数变化的常见变量 [69-71] .
[72]
[61]
线性的研究上也有重要作用 ，基于压力分布对摩擦 Mofidi 利用UMT摩擦磨损试验机测量了常用密封
[62]
力的迟滞非线性和能量耗散的分析 ，也有望成为辅 圈材料(丁腈橡胶、氢化丁腈橡胶、氟橡胶和丙烯酸
助密封关键动态参数的定量表征方法. 酯)与不同粗糙度的钢表面的摩擦磨损特性，指出磨
损过程存在磨合期，磨合期内摩擦系数逐渐降低至稳
3 辅助密封摩擦特性研究 态值. 稳态摩擦系数随着表面粗糙度的降低而增加(氟
[73]
3.1 摩擦磨损 橡胶除外). 杨兆春 采用W-1微量磨损试验机测试了
辅助密封摩擦磨损特性研究主要用于揭示摩擦 4种橡胶(天然橡胶、丁苯橡胶、丁睛橡胶以及聚氨醋
对偶的摩擦机理，获得摩擦系数和摩擦力在变工况下 橡胶)与45号钢线接触下的摩擦系数，指出接触包角
的变化规律，同时包含应力、磨损等方面的分析. 研究 的周期性变化是摩擦系数周期性变化的原因，黏附摩
方法有数学模型、标准摩擦磨损试验或往复试验等. 擦是主要的摩擦机理.
早期关于橡胶材料的摩擦机理研究发现，橡胶与 摩擦力是影响机械密封追随性的直接因素，因机
硬表面之间的摩擦是由黏着和变形损失产生的，两 械密封不同的介质环境而有一定的区别，辅助密封圈
[63]
者都和橡胶的黏弹性直接相关 . 这种摩擦学行为多 主要有干摩擦、水润滑和脂(油)润滑环境. 左李桐等 [22]
从分子动力学、黏着理论以及经典力学等方面加以解 针对机械密封辅助密封工况环境，设计了多环境的测
释 [64-65] . 黏着简化模型如图6所示. Schallamach 从界 试装置，发现脂润滑的效果最好. 提高配合面的光洁
[66]
面键结合与断裂的角度，将橡胶摩擦表示为在任意给 度、改善润滑状况以及控制压缩率等能够降低辅助密
定时刻处于结合状态的键数的函数，给出了摩擦力的 封摩擦阻力. 但最新研究指出脂润滑只能在短期内起
[67]
表达式. 基于前期研究，Persson 从能量耗散出发提 到减摩效果，随着工作时间的延长，润滑脂被从摩擦
[69]
[71]
出了橡胶摩擦的新理论，获得了摩擦系数的一般公式. 界面挤出，摩擦力与干摩擦相近 . 刘莹等 采用SRV
指出橡胶和基材之间的黏着诱导了橡胶的附加黏弹 摩擦磨损试验机测量了三元乙丙橡胶(EPDM)密封圈
性变形，橡胶将“填充”或者“跟随”配合表面的粗糙 的摩擦磨损性能，指出O形圈在水润滑环境中处于混
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峰. Ghathian等 基于Hooke定律确定接触压力峰值， 合润滑状态. 机械密封补偿环的位移量所对应的摩擦
假定O形圈接触压力程余弦分布，积分获得了摩擦力. 力多为滞后摩擦力.
