2011年8月第36卷第8期
LUBRICATION ENGINEERING Aug.2011Vol.36No.8
DOI ：10.3969/j.issn.0254－0150.2011.08.019
收稿日期：2011－03－10
作者简介：周洋（1985—），男，硕士研究生，研究方向为先进制造技术及其关键技术．E-
mail ：zhouyang0112@126．唇式密封圈摩擦特性及泵吸效应的实验研究 周
洋刘小君王伟刘焜
（合肥工业大学摩擦学研究所安徽合肥230009檿檿檿檿檿檿檿檿
）
摘要：针对目前国内外关于唇式密封圈的研究偏重于模拟而实验工作相对较少的现状，在油封密封试验机上对不同规格的油封密封圈进行相关实验，测量摩擦扭矩、腔体温度、泵吸量等参数，计算出摩擦力、泵吸率并分析摩擦力、腔体温度及泵吸率的变化特点。结果表明：在相同转速下，随着油封规格的增大，摩擦力的总体波动幅度呈现出减小的趋势，腔体油温在实验前后的温差也随之增大，泵吸率呈现出上升的趋势；对于新安装的油封，在轴速为2000r /min 的条件下，运行1h 左右才会显现出泵吸效应。 关键词：唇式密封圈；摩擦力；泵吸率中图分类号：TH117.1；TB42
starswar6文献标识码：A
文章编号：0254－0150（2011）檿檿檿檿檿檿檿
8－074－5
Experimental Study on the Friction Characteristics
and Pumping Effect of Lip Seal
Zhou Yang
Liu Xiaojun
Wang Wei
Liu Kun
（Institute of Tribology ，Hefei University of Technology ，Hefei Anhui 230009，China ）
Abstract ：In view of current situation about the study of lip seals focused on the simulation ，
while experimental work is relatively rare ，related experiments of oil seals in different sizes were done on oil seal tester．Friction torque ，chamber tem-perature ，
pumping amount were measured ，the friction and pumping rate were calculated and the change characteristics of friction ，chamber temperature ，pumping rate were analyzed．The results show t
hat ，at the same speed ，the friction decreases as the seal size increases ，the oil temperature of chamber gap between before and after experiments increases ，pumping rates show a upward trend ；for the newly installed seal ，at the shaft speed of 2000r /min ，it takes about an hour for the seals to show obvious pumping effect．
Keywords ：lip seal ；friction ；pumping rate
旋转轴唇形密封圈广泛应用于航空、汽车、摩托车、铁道、车辆、船舶、家电、工程机械等行业，适用于旋转运动密封，安装在各种重型号发动机、变速箱、车桥、汽缸等部位。
密封圈的摩擦润滑特性与润滑油膜的形成密不可
分。如图1所示，在唇形密封圈平稳运行的状态下，一层薄薄的油膜将唇形密封圈与旋转轴分开，这层连续的油膜一般1μm 厚，并且位于唇形密封圈的密封
区，轴向长度为0.05 0.1mm ［1］
。月牙形液面将密封油液从周围的空气中分开。月牙形液面位于密封唇口的空气侧，在密封区域的空气侧边缘，或者是在密封区域内的某个位置
。
图1密封圈密封区域示意图
Fig 1
Schematic diagram of sealing zone
根据实践观察以及实验数据分析，发现油封的载荷支承机制和密封机制都与密封唇口表面的微观纹理
联系密切［2］
。经过跑合之后，合格的密封圈会在表面即唇口与旋转轴之间产生一定程度的纹理。这些纹理就像是微型的滑动轴承那样产生载荷支承力。由于在轴旋转时，油液被纹理拖入腔体内，导致了油膜厚度在上游发生变化，致使压力增大。在下游，纹理内产
生气穴，导致净压力提高。正是这种净压力将唇口与轴分离，从而保持了油膜的完整。这些纹理同样具有密封的功效。它们产生了泵吸效应即将油液从密封圈空气侧抽到油液侧，这与自然条件下，液体从液体区域流向空气区域相反，从而防止了泄漏［3－4］。这种泵吸效应主要由黏性泵吸机制产生［5］。在动态情况下，密封圈唇口上的纹理由于橡胶唇口在法向上的剪切变形被扭曲成叶片的形状［6］。当轴旋转，油液被叶片形状的纹理吸入，此时，油液的流向是轴向的。若最大剪切变形的轴向位置与空气侧相比，更接近油液侧［7］，那么将产生将油液从空气侧吸到油液侧的净泵吸。
近年发现的另一个相对次要的泵吸机制是由纹理内的气穴产生的对这种黏性泵吸机制的补充［8］。平均油膜厚度在轴向上的轻微变化会引起纹理内气穴程度的变化，从而导致了压力的变化，进而产生了额外的泵吸。
到目前为止，有不少学者通过模拟的方法来研究泵吸现象，其中比较知名的有R F Salant、Dawei Shen、北京化工大学的一些研究人员以及台湾的科研机构。Salant［1］建立了旋转轴唇形密封圈密封系统的数值模型，利用弹流动力学分析了密封区的流场。Dawei Shen等［9］针对在低转速情况下，例如启动和关闭阶段，存在着混合润滑，建立了软弹流润滑模型。北京化工大学在该研究领域也取得了一些成果。2006年，李建国等［10］利用大型有限元分析软件ANSYS建立了油封的二维轴对称有限元模型，分析了油封的腰厚、密封圈唇口平面到弹簧中心平面的距离以及过盈量3种重要参数对最大接触压力及其分布情况的影响。2007年，他们又将油封的表面效应和结构效应的动密封理论作为理论基础，借助大型有限元软件ANSYS对密封介质在密封间隙中的流动情况进行了模拟［11］。台北科技大学、成功大学、NAK密封技术公司合作，直接建立数值模拟模型来阐明密封唇上带有螺旋状凸缘的泵吸机制［12］。国内外的这些研究对推动泵吸理论的发展都起到了很好的促进作用，但都无法准确地定量描述泵吸率。因而，试验成为定量描述泵吸现象的直接有效手段。
本文作者选用不同规格的油封密封圈，系统地开展了唇式密封圈摩擦及泵吸效应的实验研究，为唇式密封圈的摩擦润滑机制及泵吸效应的理论探索提供实验依据。
1实验方法
1.1实验设备
试验在MMY-8000油封密封试验机上进行（见图2）。该机由主机、电控柜、试验腔体供油油源、主轴润滑油源、计算机等部分组成。试验机的主要技术参数：（1）主轴转速范围：300 8000r/min；（2）电机输出扭矩：20N·m（300 3000r/min）；（3）主轴表面粗造度为R
a
0.2μm
。
图2MMY-8000油封密封试验机的主机装配示意图
Fig2Host assembly drawing of MMY-8000oil seal tester
试验机原理：将被测的唇形密封圈安装在试样座上，同时在高回转精度的主轴上安装试验磨头，主轴带动磨头转动使之与密封圈之间产生相对运动，通过温度控制、压力控制以及转速控制装置可以模拟密封圈的各种工况，用以检测其摩擦力矩、承压能力、温度使用范围和使用寿命等参数。摩擦扭矩通过图2所示的扭矩传感器测量得到；腔体温度由安装在试验腔体内的温度传感器测得；泵吸量是通过放置在试样座下面的玻璃杯收集然后用银细管和5mL量筒测量得出。
1.2实验方案
选用油封材料为NBR橡胶，油封规格为（内径ˑ外径ˑ宽度）：50mmˑ72mmˑ8mm、80 mmˑ110mmˑ10mm、100mmˑ125mmˑ12mm、130mmˑ160mmˑ12mm，将其依次编号为试样1#、试样2#、试样3#、试样4#。
该实验在油封腔体内初始温度为30ħ左右，主轴转速为2000r/min的条件下进行的。为了能测试出油封的泵吸率，本实验中采用了将油封反装的方法，由此造成的泄漏量即为泵吸量，每次实验时间为4h。油封的泵吸率很小，为了能够使测得的泵吸量尽量准确同时也考虑到长时间运行会影响到油封密封试
验机性能的稳定性，因而每个实验都完全重复地做2次。下文实验结果与讨论部分所采用的数据是从完全重复的2个实验中，挑选其中一组数据进行讨论分析的；而在关于唇式密封圈泵吸率的分析中所说的泵
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2011年第8期周洋等：唇式密封圈摩擦特性及泵吸效应的实验研究
吸量为在完全重复的2个实验过程中，先后积累叠加测得的泵吸量。
2实验结果与讨论
2.1摩擦力
图3为各试样摩擦力随时间的变化关系图。摩擦力是由图2中的扭矩传感器测得的扭矩通过计算得出的。摩擦力F=2T/d（T为摩擦扭矩，d为油封内径）。在试验机刚启动时，密封圈与旋转主轴之间处于混合润滑阶段。此时，密封圈与旋转轴的界面上并未形成完整的润滑油膜，密封圈唇口部分区域与轴存在着直接接触的情况。因而在实验刚开始时，摩擦力会比较大
。
图3摩擦力随时间的变化Fig3Variation of friction with time
由图3（a），（b）可以看出在试样1#和试样2#在试验的跑合阶段（0 60min），摩擦力是从刚开始的最大峰值逐渐平稳地降至谷底最小值。剧烈的摩擦会使处于密封区域中原本光滑的密封唇表面逐渐形
成一层粗糙的纹理。这层粗糙纹理就像微型的滑动轴承那样产生载荷支撑。同时，密封圈与主轴之间会逐渐形成一层润滑油膜，而润滑油膜也起到了良好的减摩效应，所以摩擦力会持续下降。
跑合阶段过后，摩擦力会出现一定的变化。从图3（a）中可以看出，试样1#摩擦力上升幅度很小。可见，在此阶段（60 240min）油封运行得很平稳，摩擦力微量上升与腔体压强、油液温度等因素发生变化有关。图3（b）中，摩擦力在时间段60 170min 很平稳，只有微量的上升；但是随即突然大幅下降至3N左右，而且此后摩擦力波动较大。这很可能是受气穴现象的影响。在主轴旋转的过程中，不可避免地会在油膜会产生一些气泡，而这些气泡的突然破裂会导致油封唇口处所受压强骤减，摩擦力也就随之降低。气泡的破裂同时也导致了润滑油膜的不完整和不连续性，引起摩擦力的不稳定。
图3（c），（d）中，摩擦力在整个实验过程中，变化不大。不同的是，在图3（c）中摩擦力始终处于较低值（7 9N），而在图3（d）中摩擦力一直在较高水平上，处于14 18N这个区间。推测原因：试样3#的唇口过盈量偏小或者弹簧预紧力不足而试样4#的唇口过盈量偏大。
综合观察图3（a） （d），不难发现：随着油封规格的增大，在整个实验过程中摩擦力总体的波动幅度呈现出减小的趋势。
平凡见证伟大
2.2腔体温度
图4为各个试样腔体温度随时间的变化关系图。实验方案中，设定腔体初始温度为30ħ，但是由于腔体油温加热难以控制，无法加热到准确的温度，所以实验通常是在腔体温度加到32ħ或者33ħ情况下进行的。
67润滑与密封第36卷
图4腔体温度随时间的变化
Fig4Variation of chamber temperature with time
各个试样腔体温度在实验前后的变化情况见表1。
表1各个试样腔体温度实验前后变化情况Table1The changes of chamber temperature for each
test sample before and after the experiment
试样初始腔体温度θ/ħ最终腔体温度θ/ħ上升温度θ/ħ1#32408
2#334411
3#334815
4#335825
显而易见，油封规格增大，腔体油温在实验前后的温度差也随之增大。造成这种现象的主要原因是尺寸规格大的油封与旋转轴接触的区域也相应较大，从而产生的摩擦热量较多。
需要指出的是，在图4（a），（c），（d）中，腔体温度呈现出一直上升的趋势，并且在实验刚开始时，温度上升速度明显较快，而后趋于平缓。这一现象说明，在实验刚开始阶段，摩擦较大，而后由于润滑油膜的形成，摩擦力逐渐降低，与前文的分析基本吻合。而在图4（b）中，腔体温度在第170min左右达到最大值，而后开始持续下降。由此可以看出来，在170min以后，油封与旋转轴之间的摩擦力急剧下降。这与图3（b）中显示的摩擦力变化情况一致。3关于唇式密封圈泵吸率的分析
在实验中，密封圈是反向安装的，由此而产生的油液泄漏量即为泵吸量。测量结果如图5所示
。
图5泵吸量测量结果
Fig5The measurement results of pumped oil
泵吸率v=m/t（其中m为泵吸量，t为前后实验累计时间即8h），计算得到的各个油封的泵吸率见表2。
表2各个试样的泵吸率
Table2Pumping rates of each test sample
试样泵吸率v/（mL·h－1）
1#0.0225
2#0.04875
3#0.165
4#0
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2011年第8期周洋等：唇式密封圈摩擦特性及泵吸效应的实验研究
可以看出，泵吸率的大小与油封规格大小有着紧密的联系。除试样4#外，随着密封规格的增大，泵吸率呈现出上升的趋势。另外，试样3#的泵吸率要远大于试样1#和试样2#。这种现象产生的原因很可能是由上文中提到试样3#的唇口过盈量偏小或者弹簧预紧力不足所引起的。导致试样4#测出的泵吸量为
0的原因很可能是密封唇口过盈量偏大，从而难以在密封唇口与旋转轴之间形成润滑油膜。
尤其需要说明的是，在每个实验开始运行大约1h 内，各个规格的油封都没有出现油液泄漏的现象。这表明在实验进行了大约1h后，泵吸效应才显现出来。4结论
（1）在相同转速下，随着油封规格的增大，摩擦力的总体波动幅度呈现出减小的趋势，腔体油温在实验前后的温差也随之增大。
（2）随着油封规格的增大，泵吸率呈现出上升的趋势。对于新安装的油封，在轴速为2000r/min 的条件下，运行1h左右才会显现出泵吸效应。
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