如何设计液压气动用密封橡胶材料

1、 耐油及耐化学品性能

          许多合成橡胶遇油会发生膨胀，或因工作油液中所含的添加剂作用而加速恶化。结果材料在某种介质中膨胀太大，或性能明显劣化，则说明这两种物质不相容。所以液压气动用密封材料选用时，首先要考虑材料与密封介质是否相容。液压用密封要考虑对工作介质的适应性；气动用密封也要考虑对润滑剂的耐受性能。膨胀是指材料遇油后体积发生变化的现象。橡胶的膨胀性能用膨胀率表示，膨胀率是橡胶浸泡前后的体积变化率。材料膨胀后，密封尺寸关系发生较大的变化，加剧摩擦、磨损，并且强度明显降低。

      除膨胀之外，油液对橡胶的硬度、抗张力、伸长率和残余变形的物理、力学性能均有显著的影响，使橡胶软化、收缩和分解，橡胶性能劣化。这是因为，为了改善橡胶性能，一般都在橡胶中加入增塑剂，橡胶与油液会吸收橡胶中的增塑剂，随着橡胶中的增塑剂逐渐被溶解，液体侵入，结果橡胶体积、重量改变，硬度、弹性降低测定膨胀是考察相容性的一项基本实验。如果不考虑劣化，对材料的膨胀，用作动密封不能超过15%~20%，静密封不超过 50%，垫片可接受 100%的材料膨胀率。密封件使用中的实际体积变化比膨胀值要小的多，因为要被压缩变形抵消一部分。

        橡胶的膨胀是各种化学品分子进入橡胶聚合物分子之间，产生无规则的分散作用力，使构成橡胶弹性的网状分子结构发生变化的结果。如果橡胶中的可溶性分子在介质中杂乱无章运动，则橡胶可能发生收缩，也会对密封造成不利的影响。一般来说，性质相似的物质，这种相互混合的现象容易发生。例如天然橡胶是碳氢化合物，很容易溶解到同是碳氢化合物的矿物油中去。引用溶解度参数 SP值，可以衡量这种溶解程度。 SP值定义为，物质每一摩尔的蒸发热对其体积比值的平方根，即：

SP值=（每摩尔蒸发热 / 每一摩尔体积） 1/2

2、 机械、力学性质

       液压气动用密封材料要求弹性好、能拉伸、耐高压、耐磨、摩擦系数底，这些都可用材料的力学性质反映，都与材料的机械强度有关。机械强度的测定比较容易，也是其他材料性能实验的基础。

      所以被作为基本的材料性能指标。合成橡胶和塑料的力学性能，一般要考虑硬度、抗张强度、耐磨性、弹性、伸长量等指标。

1）硬度

硬度指材料表面抵抗塑性变形或破裂的能力；同时硬度与强度有某种近似关系，硬度底的材料表现出受力变形的柔顺性。硬度是密封材料的重要指标，橡胶材料的硬度通常以绍氏硬度（ HS）表示。

      液压用密封材料，必须承受油压力，高压力可使材料过度变形，甚至从密封间隙中挤出而破坏密封性能。因此材料需要有一定的硬度，以抵抗这一破坏。硬度越高耐压能力越强。橡胶材料用作密封材料是因为它比金属“软”，因此具有柔顺性，在粗糙密封面上变形，顺应表面形状，达到密封目的。因此硬度低对提高密封性具有有利的影响。在动密封中，材料硬度对运动性能也有直接的影响，并且较为复杂，不同的密封型式，硬度以不同方式影响运动性能。一般来说，硬度低动摩擦却有相反的作用。耐磨性与硬度有关，硬度高耐

磨性强。

2）扩张强度与伸长率

     强度和拉伸强度反映材料抵抗变形的能力，密封件的密封性与此有密切关系。而且拉伸强度与伸长率直接影响密封件的安装性能。

        扩张强度以断裂时的拉应力表示，橡胶材料的拉应力值，通常取伸长 100%时的应力值，这是因为橡胶材料的应力—应变曲线不服从虎克定律，所以用 100%伸长时的值代替弹性率。聚四氟乙烯的塑料材料存在屈服点，所以拉伸强度用屈服点以内的拉应力测定。拉伸强度和伸长率与耐压性没有太大的关系，只是抗拉强度低于 7MPa 的材料，不适用于动密封。作为寿命的一个测定指标，

      抗张强度低，容易产生应力松弛和变形，造成密封失效。伸长率是材料刚性的倒数指标，用材料的拉伸量与自然状态下长度之比的百分数表示。材料的允许伸长率，是指在不发性损坏或变形的前提下，可以施加的大伸长率。允许伸长率影响密封件的安装性能。

3）弹性

     密封材料的弹性对于密封件的密封性极为重要。由于弹性使材料受压后产生一个回弹力，挤压型密封如 O 形圈就是靠密封材料的回弹力获得初始密封压紧力；唇形密封件如 Y形圈，虽然有利于流体压力的自密封性，理论上压缩变形即使为零，在油压力下也能密封。但如果密封偶件有偏心，低压时就有可能产生泄漏，这时依靠材料的弹性可以补偿这一偏心造成的密封接触应力不足。

      弹性可以用回弹力来度量，在同样的变形率下，弹性大回弹力就大。弹性随温度就较大变化，同一材料在不同的温度下的弹性不同。许多橡胶在温度为 -20~20℃时弹性出现小值，而某些橡胶在很宽的温度范围内弹性变化不大。

    合成橡胶材料的弹性在国外有标准测试方法，如日本的 JISK6255标准的反弹法弹性测试。这一实验是从一定距离处让一可作振荡运动的铁棒自由落下，打击一圆柱形固定试件。以被试件反弹高度反映弹性。然而由于这一实验未反映合成橡胶材料的粘性的影响，所以难以与密封件密封性建立直接关系。

     日本 JISK6394标准中的正弦波振动动态特性实验方法是，给试件施以正弦波振动，测定振动时其扰度波形的延迟量，用相位角 δ，作为弹性指标， tanδ值实际是损失弹性率与贮存率的比值。tanδ值在 0~1之间，该值越小，弹性指标越大。

4）压缩变形

    密封件是因其在密封槽中有一定的压缩变形，靠变形回复力而获得密封能力的。由于密封用的合成橡胶是粘弹性材料，长时间受压会有不可回复的变形。初期设定的回弹压紧力经长时间的使用后，会因其产生变形而逐渐丧失，出现泄漏，所以材料的耐压缩变形性能，是衡量密封寿命的指标。橡胶、塑料类高分子材料的变形不仅与受压力大小有关，还与变形量、变形时间有关。长时间的变形难以回复，并且变形后的回复是缓慢完成的。

     无论什么材料，其变形都或多或少与温度有关，一般在室温附近压缩变形小，低温和高温部变形增加。与以下要介绍的橡胶冷、热硬化现象一样，压缩变形在低温下增加和高温下增加的机理不同。低温压缩变形增加，是因为在低温下压缩时，因分子冻结，运动缓慢，短时间内变形残存。一旦恢复室温，将恢复室温时变形值。所以低温下的残存变形是一种可逆变形。与此相反，室温至高温温度段的压缩变形是在压缩状态下伴有化学变化的结果，所以即使在室温下长时间放置，也几乎不会有变形回复，是一种不可逆变形。使用中的材料的压缩量一般不超过 30%；安装后的拉伸量一般不超过 5%。负责产生变形，密封失效。

    测量压缩变形比较简单，可取标准厚度如 12.5mm 的圆柱作为试件，实用中也可用与实际制品厚度相近的 O 形圈作为试件。考虑压缩变形的时间效应，测试低温压缩变形，在测试温度下压缩一定时间，在原温度下释压，放置 30min 后，在实验温度下测定试件厚度。测试高温下压缩变形，在压缩状态下和实验温度中保持一定时间，试压后在室温下放置 30min，在空温下测量试件厚度。

5）耐磨性

     对于动密封而言，耐磨性也是材料寿命的指标。材料的耐磨性一般用磨损实验来考察，即用一定时间的磨损量来衡量。实际的磨损是一个复杂的过程，受润滑状态、密封表面的粗糙度、介质工作压力、载荷、滑动距离、运动速度以及温度等使用条件的影响很大。而从材料本身的因素看，材料的耐磨性与硬度关系密切，材料越硬，越耐磨，此外还与抗张强度有关，可表示为以下关系式：

V=k( μwL)(HSTBEB)

其中式中 V——磨损量；

μ——常数；

k——摩擦系数；

w——载荷；

L ——滑动距离；

HS——材料硬度；

TB——材料扩张强度；

EB——材料拉伸量。

6）摩擦系数

     动密封低速运动时，摩擦阻力是引起运动不平稳的主要原因，对元件和系统性能造成了不良影响，所以对密封来说，摩擦性能是重要的性能之一，摩擦系数是摩擦性能的一个评价指标。

       合成橡胶的摩擦系数较大，但对于液压密封用合成橡胶来说，单独考察材料摩擦系数没有太大意义，这是因为密封在运动状态时，通常处于工作油液或润滑剂参与的混合润滑状态。润滑条件对摩擦系数有很大的影响，如 NBR 的动摩擦系数，依测定条件可在 0.5~3之间变化。气动元件工作中润滑条件差一些，无供油气缸只在安装时涂以润滑脂，使用中不另外供给润滑剂，对于这类密封，材料的摩擦系数需慎重选择。合成橡胶的硬度与摩擦系数有关，硬度越高摩擦系数越低；合成树脂摩擦系数一般低于橡胶；摩擦系数小的是聚四氟乙烯，无润滑摩擦系数达 0.04。除此之外摩擦系数还与表面状态、接触应力、运动速度等许多因素有关，十分复杂。

    直接测定摩擦系数比较困难，一般实验方法是测量某一标准状态下的摩擦力。静摩擦力受前述各种因素的影响，测量误差较大，测量值只能作为参考；与之相比，动摩擦力能获得较稳定的、有重复性的测量值。实用中摩擦力主要影响低启动压力，所以常以低启动压力作为摩擦特性的指标。

7）弯曲疲劳强度

      合成橡胶的耐疲劳强度较强，但使用时也不能*忽视疲劳破坏。运动用密封，特别是有震动的场合，密封件形状反复改变，要注意密封件的疲劳损坏。对摩擦力影响较为敏感的气动密封中，为了降低摩擦阻力，多将密封件制成易于变形的形状，这样，如果润滑状况恶化，密封件就会反复变形，出现疲劳。所以，这种情况下，掌握材料的弯曲疲劳度很重要。弯曲强度可用断裂实验测试。方法是对试件施以反复的弯曲变形，记录发生断裂时的弯曲次数和断裂扩展速度，用以反映弯曲强度