在分析橡膠材料干摩擦和水潤(rùn)滑摩擦兩種摩擦機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用INSTRON 高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)機(jī)械密封補(bǔ)償機(jī)構(gòu)中輔助O 形密封圈在這兩種狀態(tài)下的摩擦力進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)獲得了不同滑移速度下摩擦系數(shù)與載荷的關(guān)系以及不同載荷下摩擦系數(shù)與滑移速度之間的關(guān)系。結(jié)果表明: 水潤(rùn)滑狀態(tài)下由于密封接觸面能夠形成潤(rùn)滑水膜，摩擦力較小，更適合長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

1、前言

　　機(jī)械密封圈雖然成本低廉，但是影響著整套機(jī)械密封的運(yùn)行，其重要性具體體現(xiàn)在兩方面:一方面要實(shí)現(xiàn)浮動(dòng)環(huán)的密封，另一方面還要保證浮動(dòng)環(huán)在軸向微小移動(dòng)和角向微小擺動(dòng)情況下對(duì)配偶環(huán)的追隨性和補(bǔ)償性。輔助密封設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)密封系統(tǒng)的性能和壽命。因摩擦而產(chǎn)生的磨損是一切密封元件損壞的主要原因，輔助密封也不例外。O 形密封圈因自身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本低廉、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)成為典型輔助密封的代表。本文在前人對(duì)橡膠進(jìn)行的磨耗研究的基礎(chǔ)上，對(duì)O 形密封圈的摩擦性能做了進(jìn)一步的研究。

　　本文重點(diǎn)研究干摩擦和水潤(rùn)滑兩種狀態(tài)下，摩擦系數(shù)與介質(zhì)壓力、滑移速度以及壓縮量的關(guān)系，為機(jī)械密封整體性能的優(yōu)化提供參考。

2、理論分析

　　眾所周知，剛性體之間的滑動(dòng)摩擦力僅與垂直壓力和摩擦系數(shù)有關(guān)，并且摩擦系數(shù)常取固定值。橡膠體發(fā)生摩擦?xí)r，由于接觸面發(fā)生彈性變形，摩擦現(xiàn)象復(fù)雜，摩擦系數(shù)不再是個(gè)固定值，而受到垂直壓力、滑動(dòng)速率以及溫度的顯著影響。對(duì)橡膠摩擦來說，通常主要有粘附摩擦、滯后摩擦和氣窩摩擦3 種摩擦。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.chvcuum.com/)細(xì)究其摩擦機(jī)理有下述情況。

2.1、干摩擦狀態(tài)下的摩擦機(jī)理

　　橡膠屬于高彈性、高分子材料，在無任何潤(rùn)滑劑的情況下，其表面與接觸面間產(chǎn)生摩擦的因素有兩個(gè): 一個(gè)是橡膠表面與干燥表面的粘著，另一個(gè)就是橡膠本身的滯后作用。橡膠與其接觸面間的摩擦力F 實(shí)際上是粘著摩擦力Fa 與滯后作用所產(chǎn)生的摩擦力Fh 之和。粘著現(xiàn)象是一種表面效應(yīng)，而滯后現(xiàn)象是由于橡膠類材料的彈性和粘彈性引起的綜合現(xiàn)象。

2.1.1、粘著摩擦力

　　粘著摩擦力是在界面上因粘附作用而引起的力，與實(shí)際接觸面積成正比，計(jì)算式為:

　　式中s - 比例常數(shù)，其值為各微小接觸面的剪切阻力;Ai - 第i 個(gè)微小接觸面積;n - 微小接觸面總數(shù)

2.1.2、滯后摩擦力

　　滯后摩擦力是在橡膠中因滯后作用或橡膠的內(nèi)摩擦而引起的變形損耗力，計(jì)算式為:

　　式中c  - 與橡膠類型有關(guān)的系數(shù);Eci - 橡膠局部( 第i 個(gè)微面積上) 受壓縮而產(chǎn)生的能量;Eei - 橡膠越過障礙物后恢復(fù)的能量

2.1.3、摩擦系數(shù)

　　干燥摩擦狀態(tài)下總摩擦力F 為:

F = Fa + Fh (3)

　　相應(yīng)的摩擦系數(shù)表述如下:

μ = μa + μh (4)

　　式中μa ———粘著摩擦系數(shù);μh ———滯后摩擦系數(shù)

2.2 水潤(rùn)滑狀態(tài)下橡膠的摩擦機(jī)理

2.2.1、水潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦力

　　由于橡膠材料的彈性很大，所以其具有很高的滯后損耗。在水潤(rùn)滑狀態(tài)下，橡膠與接觸面間的粘附項(xiàng)會(huì)變得很小，摩擦的主要部分來自橡膠本身的變形損耗�？梢宰C明在純滾動(dòng)中滾動(dòng)阻力幾乎完全是變形固體中的滯后損耗。

2.2.2、水潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦系數(shù)

　　在水潤(rùn)滑狀態(tài)下，接觸面間的相對(duì)滑動(dòng)速度對(duì)摩擦系數(shù)有直接影響。通常速度增高，粘著力和滯后力都會(huì)增大，從而摩擦系數(shù)也會(huì)相應(yīng)增大。本文通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)滑移速度增大到一定值后，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。

2.2.3、彈流效應(yīng)

　　當(dāng)剛性體與彈性體的接觸表面間有潤(rùn)滑劑存在時(shí)，在一定的載荷和滑動(dòng)速度下，會(huì)呈現(xiàn)彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)。這是因?yàn)樵谝欢ǖ幕瑒?dòng)速度下，潤(rùn)滑水膜的收斂區(qū)會(huì)建立起流體動(dòng)力的壓力楔，并在彈性體的表面上產(chǎn)生一層穩(wěn)定的支承薄膜，即壓力水膜層。此壓力水膜層足以將兩接觸表面分開，而在發(fā)散區(qū)水膜壓力將迅速下降，甚至達(dá)到負(fù)值。