大环径比O形复合金属密封件制备工艺及静力学性能研究_任志英.pdf

2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.003文献引用:任志英，李金明，杨洋洋，等大环径比 O 形复合金属密封件制备工艺及静力学性能研究J润滑与密封，2023，48(2):1622Cite as:EN Zhiying，LI Jinming，YANG Yangyang，et alesearch on preparation technology and static mechanical properties of Oshapedcomposite metal seal with large ringtodiameter ratio J Lubrication Engineering，2023，48(2):1622*基金项目:国家自然科学基金项目(52175162;51805086;51975123);福建省自然科学基金项目(2019J01210);福建省卫生教育联合攻关计划项目(2019WJ01)收稿日期:20211126;修回日期:20211223作者简介:任志英(1980)，女，博士，教授，主要研究方向为金属橡胶阻尼材料与减振降噪技术。Email:renzyrose 。大环径比 O 形复合金属密封件制备工艺及静力学性能研究*任志英1，2李金明1，2杨洋洋1，2朱怀文1，2梁盛涛1，2(1.福州大学机械工程及自动化学院福建福州 350116;2.福州大学金属橡胶与振动噪声研究所福建福州 350116)摘要:针对工业领域中对于大口径耐高温的金属密封件的迫切需求，开发一种将勾连交叉缠绕而成的螺旋网状金属橡胶嵌入有一定开口槽的不锈钢细环中的大环径比 O 形复合金属密封件，探究大环径比 O 形复合金属密封件的制备工艺，包含金属橡胶弹性内芯以及不锈钢包覆层两部分的制备工艺。研究 4 种不同孔隙度的金属橡胶密封件在准静态常温下的力学性能，分析载荷、孔隙度对金属橡胶密封件力学性能的影响。研究结果表明，复合金属橡胶密封件在高承载下具有良好的密封特性，当载荷增大后，密封件的力学性能更加趋于稳定;且随着孔隙度的减小，承载能力越来越大。基于静力学性能试验，建立含有不锈钢包覆的金属橡胶密封件的多项式拟合函数，发现六阶多项式能够较好地对试验数据进行拟合，由此可计算分析金属橡胶密封件的静刚度与位移之间的变化规律，从而可以在工程上得到更好的应用。关键词:金属橡胶;静力学性能;大环径比密封件;准静态试验;多项式拟合中图分类号:TH136esearch on Preparation Technology and Static Mechanical Properties ofOShaped Composite Metal Seal with Large ingtoDiameter atioEN Zhiying1，2LI Jinming1，2YANG Yangyang1，2ZHU Huaiwen1，2LIANG Shengtao1，2(1.School of Mechanical Engineering and Automation，Fuzhou University，Fuzhou Fujian 350116，China;2.Institute of Metal ubber Vibration Noise，Fuzhou University，Fuzhou Fujian 350116，China)Abstract:Aiming at the urgent demand for largediameter hightemperature resistant metal seals in the industrialfield，a large ring diameter ratio of Oshaped composite metal seals was developed，in which a spiral mesh metal rubberformed by crosswound hooks is embedded in a thin stainless steel ring with a certain opening grooveThe preparationprocess of Oshaped composite metal seals with a large ring diameter ratio was explored，including the preparation processof metal rubber elastic inner core and stainless steel cladding layerThe mechanical properties of four different porosity met-al rubber seals at quasistatic room temperature were studied，and the influence of load and porosity on the mechanicalproperties of metal rubber seals was analyzedThe results show that the composite metal rubber seal has good sealing per-formance under high load，and the mechanical properties of the seal tend to be more stable when the load increasesAndwith the decrease of porosity，the bearing capacity becomes larger and largerBased on the static performance test，a polyno-mial fitting function for metal rubber seals with stainless steel coating was establishedIt is found that the sixthorder poly-nomial can fit the test data well，so that the static stiffness of the metal rubber seals can be calculated and analyzedThe lawof change between and displacement can be better applied in engineeringKeywords:metal rubber;static mechanical property;large ring diameter ratio seal;quasistatic test;polynomial fitting随着现代工业的发展，密封技术在各个领域得到了越来越广泛的应用。而一些高精度的仪器和元器件对密封性能的要求也越来越严格，这些元件的密封性能直接关系到相关领域能否突破现有的发展瓶颈。为了保证现代工业的可持续发展，迫切需要研究更可靠的密封技术，达到更有效的密封效果14。目前常用的密封材料以橡胶材料为主，但是橡胶材料因其本质属性的局限性而限制了适用范围。例如:橡胶材料在大温差下无法正常工作，在高温下易老化、低温下易脆裂，难以承受较大的压力;在高真空、强腐蚀、强辐射工作环境下，橡胶材料也易老化而失效。因此，自主研发和探索在特殊工况下适用的高性能密封件，一直是密封防泄漏领域的主要研究课题之一56。金属橡胶因具有工作温度范围大、抗腐蚀、强度高等特性78，可以在恶劣工程环境中应用，在密封领域得到越来越多的重视。金属橡胶是一种弹性多孔状材料，其内部为螺旋状金属丝相互交错勾连形成的空间网状结构，在外载的作用下可以实现压缩、回弹及阻尼耗能等作用910。针对金属橡胶的特性，赵宏宇11 就研制了一款聚四氟乙烯包覆型金属橡胶密封件，建立了金属橡胶O 形圈压力传递系数模型，通过试验研究了金属橡胶密封件的体积泄漏率，获得较好的理论与试验成果。李远超12 开展了不同相对密度的金属橡胶密封件在温度环境下的迟滞特性与力学特性的试验。张文静13 研制了 2 种包覆层的金属橡胶密封件，通过试验研究了金属橡胶材料的温度特性及力学特性;根据NavierStokes 方程及压差流动模型推导了密封件的泄漏率公式，并结合实例进行了计算和试验研究。赵亚磊14 将金属橡胶密封件应用于往复轴动密封系统中，利用改进的金属橡胶密封专用试验台和动密封测试工装对金属橡胶密封件进行试验，通过对比试验与理论验证了理论分析的正确性。学者们虽然对金属橡胶密封件已经开展了大量的研究工作，但由于其结构的复杂与工艺的繁琐，目前研究进展依旧较为缓慢，特别是一些密封截面很小但整体直径却很大的大环径比的耐高温密封件。因此，本文作者以大环径比 O 形金属橡胶密封件为研究对象，研究其制备工艺并通过理论和试验研究分析金属橡胶密封件的静力学性能。1金属橡胶密封件制备工艺金属橡胶作为一种多孔材料，无法直接用于密封，常常采用增加开口包覆层实现，其示意图见图1。因此，金属橡胶密封件制备流程分为两个模块:一是金属橡胶密封件的弹性内芯即金属橡胶的制备;二是金属橡胶密封件的包裹层制备，最后将其和弹性内芯组装在一起，制备出完整的金属橡胶密封件。图 1金属橡胶密封件示意Fig.1Schematic of metal rubber seal金属橡胶常用相对密度进行评定，由于文中制备的金属橡胶弹性内芯的环径比较大，材料内部结构孔隙较多，因此采用孔隙度来描述金属橡胶材料性能，孔隙度 P 和相对密度 的关系为=mV(1)P=(1)100%(2)式中:m 为金属橡胶弹性体内芯的质量(g);V为金属橡胶弹性体内芯的体积(cm3);为不锈钢金属丝的密度(g/cm3)。根据公式(2)计算出金属橡胶孔隙度，并得出孔隙度为 69.7%、63.7%、57.6%、51.5%的金属橡胶(M)弹性体内芯的质量如表 1 所示。表 1各孔隙度的 M 内芯质量及数量Table 1Mass and quantity of M inner core of each porosityPorosity P/%697637576515Weight m/g10121416Quantity55551.1金属橡胶弹性内芯制备工艺M 内芯制备采用丝径为 0.20 mm 的 304 不锈钢金属丝作为原材料，并将选取的金属丝经过金属丝螺旋圈绕制设备绕制，绕制出螺旋卷的内径约为丝径的10 倍，该种尺寸的金属丝螺旋卷可以在编织毛坯时更好地使毛坯成型15。将绕制好的金属丝螺旋卷进712023 年第 2 期任志英等:大环径比 O 形复合金属密封件制备工艺及静力学性能研究行定螺距拉伸，其中拉伸后螺旋卷的螺距与其内径大致相等，这样可以使金属丝之间的啮合效果最好，保证后续在压制金属橡胶毛坯时体积稳定性最高16。经过金属橡胶毛坯自动化缠绕设备缠绕后，即可得到成型的金属橡胶弹性内芯毛坯。最后将毛坯放入大环径比 O 形金属橡胶弹性内芯专用压制成型的模具中，用液压机进行冷冲压，即可得到金属橡胶弹性内芯。金属橡胶弹性内芯整体制备流程如图 2 所示。图 2金属橡胶弹性内芯制备工艺流程Fig.2Process flow of preparation of metal rubber elastic inner core1.2O 形大口径金属橡胶密封件金属包覆工艺制备成型的金属橡胶弹性内芯因为缺少成型模具的约束，会出现微量扩张，因此为了将金属橡胶弹性内芯放置在不锈钢毛细钢管包裹层中，采用铣床切割机进行精确切取毛细不锈钢管，开槽宽度为(20.1)m