如何优化密封件摩擦

如何优化密封件摩擦

密封件的摩擦，尤其是密封件引起的迟滞爬行现象可通过改变材料的化学成分有目的的施加影响。在改变密封件材料的过程中，设计人员必须牢牢把握密封件磨损和挤压性能的变化。

今天对密封件（见图1）生产厂家提出的要求是在提高效率和系统可用性的同时具有很好的环保性能。这一要求可通过多种途径来满足，其中一种方法就是通过改变密封件的化学组成成分，以改善其摩擦性能，提高系统的整体效率。而承受动载荷的密封件还承担着更加艰巨的任务——尽可能的延长润滑油膜的使用寿命、减少摩擦并避免泄漏。若密封件的摩擦过大，就会出现不均匀运动，导致严重的爬行和粘滑现象。此外，现在密封件厂家越来越倾向于使用适于在低黏度介质中使用的弹性体材料和热塑性材料，所以当密封件承受高压和高温负载或者长时间闲置重新开机运行后就很容易出现爬行现象。如气缸在停机后重新工作时往往就会由于较低的驱动力而无法正常运行。

图1 液压缸活塞杆密封圈

密封件的摩擦优化

几乎所有由弹性体材料和热塑性材料制造的密封件在静止后都会出现较大的静摩擦。引起静摩擦的原因有很多种，而主要原因还是在于材料本身。另外，密封件密封唇的几何形状对运动方向变化时的反应以及润滑材料和滑动表面的情况也对静摩擦的大小有着较大的影响。（见图2）。

图2 摩擦学系统：密封－相对滑动表面－润滑

Praedifa工艺技术研究中心的一项重要工作就是密封件的摩擦优化。进行密封件摩擦优化的目的是降低设备长时间停机后重新起动时所需要的起动力和减小各种工况下动态运行时密封件的摩擦力。

经过多次试验之后，Praedifa工艺技术研究中心获得了大量常见液压和气动密封件的摩擦性能与密封件材料、润滑材料及滑动速度之间的详细信息，并将其反馈给密封件生产厂家。另外，密封件生产厂家还可从这个研发中心了解到有关密封件几何形状和尺寸及物理边界条件，如表面材料、压力和温度等方面的信息（见图3）。在进行上述试验的同时，Praedifa工艺技术研究中心还对标准几何形状尺寸的不同材料的摩擦和磨损进行了基本性能的试验，其中最重要的是对不同材料的静摩擦系数和滑动摩擦系数的测定。本文将利用热塑性塑料TPU聚酯材料的试验对整个过程加以解释。TPU聚酯材料依据其大分子结构可分为聚酯基和聚氨酯基两类聚合物材料。表中给出的是Parker公司该聚酯材料液压密封件的标准数据、材料特性数据和主要特性。

图3 活塞杆液压密封圈摩擦力检测试验台

静摩擦系数的试验明显的表示出了静摩擦系数与材料硬度、基本材料、使用的聚合剂及填充材料种类之间的相互关系（见图4）。

图4 TPU材料的静摩擦系数（由每组3次试验得出的平均数）

摩擦力与压力呈正比变化

在对活塞杆液压密封件进行的试验中，没能直接得出密封件材料的硬度与静摩擦系数之间的关系。而在确定其滑动摩擦系数的试验中仅得出“较软”的材料，如P5080，具有较低的粘滑作用。

Parker公司研发生产的液压密封件用TPU材料

但在进行的所有试验中都存在一个共性特点，即摩擦力会随着压力的增大而增大。当摩擦力增加至“形变压力”时，即密封件完全贴合在活塞杆上时将不再增加。形变压力的大小与密封件的材料有关。对于由B3型P5080材料制造的活塞杆密封圈（液压技术领域中的标准材料）在滑动速度小于0.1m/min、压力超过5MPa时开始出现爬行。而随着工作温度的升高，爬行将会更加严重。试验证明，用TPU P5001材料制造的耐低温U形密封圈的爬行性能最好。这种密封圈在活塞杆速度小于0.03m/s时才会出现较明显的爬行。若在摩擦系数较低的P5080材料中添加减磨性能更好的聚合物材料，即使是在很高的压力下其也能够显示出比标准的P5001和P5008材料更小的摩擦阻力，而且爬行趋势也明显降低。利用这种材料制造的密封件已成功用于各工业领域，如敞篷车车顶的内衬密封。材料的优化仅是密封件研发工作中很小的一部分，其得到了结构设计优化的补充和支持，也得到了有限元法分析的支持。

通过密封件材料的改进，可以有目的的对密封件的摩擦阻力和爬行性能施加影响；但是在密封件材料的改进过程中还要考虑材料改进对耐磨性能和挤压性能的影响。万能的适用于各种工作情况的密封件材料是不存在的。Parker公司提供的密封件标准材料虽然能够满足大多数使用场合的要求，但是现代化的机床制造业、汽车制造业和设备制造业总是不断的对密封件材料提出新的和更高的技术要求。根据对密封件材料牢固的不断增加的认识和了解，能够通过对密封件材料成分的“修改”使其适应不同工作情况的需要。在相应设计和生产加工工艺技术的配合下，不久将有新的具有独特性能的密封件材料研发成功并投入生产。