研究制退機(jī)唇形橡膠圈在火炮高速發(fā)射時(shí)的動(dòng)密封性能。分析唇形密封圈的工作原理，利用微觀組織分析方法研究密封圈失效機(jī)制; 通過橡膠力學(xué)性能試驗(yàn)和擬合尋優(yōu)，確定橡膠超彈性本構(gòu)模型，利用ABAQUS 建立密封圈軸對稱有限元模型; 通過ADAMS 仿真求解得到不同裝藥條件下制退機(jī)后坐速度、變化油壓等參數(shù)，并綜合考慮初始過盈量、摩擦因數(shù)、動(dòng)密封速度等因素，分別對密封圈的安裝、靜密封和動(dòng)密封等工況進(jìn)行模擬; 根據(jù)密封圈失效準(zhǔn)則，研究變化油壓沖擊作用下的唇形橡膠圈動(dòng)密封性能，對研究和掌握火炮發(fā)射狀態(tài)下唇形密封圈的壽命規(guī)律具有一定參考價(jià)值。

　　火炮發(fā)射時(shí)受高溫、高壓和強(qiáng)動(dòng)載作用，系統(tǒng)工況復(fù)雜，使用環(huán)境惡劣，而且具有多體接觸、多構(gòu)件撞擊的特性。制退機(jī)就是在火炮發(fā)射時(shí)提供液壓阻力的一種特殊液壓設(shè)備。制退機(jī)內(nèi)有多種密封件，最常用的便是動(dòng)密封唇形橡膠密封圈，其密封性能的好壞直接關(guān)系到火炮的射擊精度和可靠性。針對密封圈的材料本構(gòu)模型、失效形式、有限元仿真、密封性能和改進(jìn)設(shè)計(jì)方面，許多學(xué)者做了大量的工作，但多集中于對O 形密封圈進(jìn)行研究。唇形密封圈與O 形密封圈的工作原理、失效形式和使用條件并不相同。目前關(guān)于唇形橡膠圈的研究文獻(xiàn)不是很多。文獻(xiàn)利用密封原理，探討了軸用Yx 形密封圈的形狀尺寸，并對國內(nèi)外軸用Yx 形密封圈的形狀差異進(jìn)行了對比分析。文獻(xiàn)采用有限元方法對Yx 形液壓密封圈的性能進(jìn)行模擬，分析其失效的位置和模式，研究參數(shù)對密封性能的影響，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。文獻(xiàn)對靜密封條件下的Y 形橡膠密封圈進(jìn)行了有限元分析，預(yù)測了Y 形密封圈可能出現(xiàn)裂紋的位置，總結(jié)了Y 形密封圈接觸壓力的變化規(guī)律。文獻(xiàn)對自行設(shè)計(jì)的非標(biāo)準(zhǔn)件唇形橡膠密封圈進(jìn)行了非線性接觸有限元分析，對唇形密封圈在不同初始過盈量和油壓下的變形與應(yīng)力情況進(jìn)行了分析研究。

　　從以上研究現(xiàn)狀來看，目前還沒有利用微觀分析技術(shù)對唇形橡膠密封圈進(jìn)行失效分析，對施加變化油壓下的動(dòng)密封情況進(jìn)行有限元仿真和密封性能研究的報(bào)道。為此，本文作者以火炮制退機(jī)唇形橡膠密封圈為研究對象，結(jié)合微觀分析技術(shù)、橡膠力學(xué)性能試驗(yàn)、動(dòng)力學(xué)仿真和有限元分析方法，對唇形橡膠圈的密封性能進(jìn)行了分析，從而為進(jìn)一步研究唇形橡膠圈的壽命規(guī)律提供依據(jù)。

1、密封圈失效微觀機(jī)制分析

1.1、密封原理簡介

　　唇形密封圈依靠其張開的唇邊貼于密封副耦合面。無內(nèi)壓時(shí)，僅僅因唇部的變形而產(chǎn)生很小的接觸壓力。在密封的情況下，與密封介質(zhì)接觸的每一點(diǎn)上均有與介質(zhì)壓力相等的法向壓力，所以唇形圈底部將受到軸向壓縮，唇部受到周向壓縮，與密封面接觸變寬，同時(shí)接觸應(yīng)力增加。當(dāng)內(nèi)壓再升高時(shí)，接觸壓力的分布形式和大小進(jìn)一步改變，唇部與密封面配合更緊密，所以密封性更好，這是唇形密封圈的“自封作用”。圖1 為軸用唇形密封圈安裝示意圖。

1. 唇形密封圈2. 安裝槽3. 間隙4. 運(yùn)動(dòng)軸

圖1 唇形橡膠密封圈示意圖

1.2、失效機(jī)制分析

　　本文作者研究的是丁腈橡膠唇形密封圈，其主要成分是丁腈-26 生膠( 由丁二烯和丙烯腈單體聚合而成) ，通過加入補(bǔ)強(qiáng)劑、硫化劑、增塑劑及防老劑等配合劑進(jìn)行混煉，經(jīng)過模具成型和硫化交聯(lián)得到的橡膠材料。

　　用INCA350 型能譜儀對橡膠材料進(jìn)行能譜分析，元素測試結(jié)果如圖2 所示。可以發(fā)現(xiàn)丁腈-26 生膠中存在大量內(nèi)含物，最常見的為ZnO2、CaCO3和硫化物，這些內(nèi)含物便是為了提高橡膠密封圈的性能，在制備過程中必須添加的配合劑。

圖2 丁腈橡膠材料能譜圖

　　利用S-4800 型掃描電鏡對唇形橡膠密封圈橫斷面和下唇部表面進(jìn)行觀察，如圖3 所示。其中圖3( a) 、( b) 、( c) 為密封圈橫斷面組織，從圖3( a) 可看出，丁腈橡膠基體上均勻散布著很多填充顆粒，這是起到改善橡膠性能作用的配合劑成分。從圖3( b)和( c) 發(fā)現(xiàn)，在丁腈橡膠基體上還存在少量的團(tuán)聚物和孔穴。團(tuán)聚物面積約為40 μm × 90 μm，Mathew等稱之為橡膠球，孔穴直徑為20 ～ 50 μm。這是因?yàn)槎‰嫔�膠與各種配合劑在混煉過程中沒有均勻混合或者在使用過程中受應(yīng)力循環(huán)作用，部分填充物顆粒脫離基體，經(jīng)過重組與合并，在基體某些部位出現(xiàn)

　　團(tuán)聚和孔穴。圖3( d) 、( e) 、( f) 為密封圈下唇部表面形貌，從圖3( d) 中可以看到，由于下唇與運(yùn)動(dòng)軸之間的往復(fù)高速運(yùn)動(dòng)，造成下唇接觸面磨損，表面凹凸不平，呈現(xiàn)魚鱗狀或山脊?fàn)�，在這些粗糙表面上也分布著很多由填充物顆粒形成的團(tuán)聚物。從圖3( e)和( f) 中可觀察到，在下唇根部還存在很深的裂紋。Le Cam 等[8]提出: 疲勞破壞大多是由于孔穴現(xiàn)象而引起的，而這些孔穴主要是由于氧化鋅和膠體之間的剝離造成。文獻(xiàn)通過研究得出，在應(yīng)力載荷作用下，微小的填充物顆粒更易合并為大直徑的團(tuán)聚物，團(tuán)聚物充當(dāng)了裂紋的引發(fā)劑，促使材料化學(xué)鍵斷裂更快，從而導(dǎo)致疲勞破壞加快。

圖3 唇形橡膠密封圈SEM 圖像

　　據(jù)此分析認(rèn)為，從微觀機(jī)制角度出發(fā)，唇形橡膠密封圈由于受到制備工藝條件的限制和工作時(shí)循環(huán)應(yīng)力的沖擊作用，促進(jìn)了團(tuán)聚物和孔穴的產(chǎn)生，從而引發(fā)密封圈表面硬化、龜裂直至產(chǎn)生深層裂紋。另外，惡劣的使用環(huán)境容易使雜質(zhì)顆粒混入密封耦合面，運(yùn)動(dòng)軸與密封圈的長期反復(fù)相對運(yùn)動(dòng)，均容易造成密封圈唇部表面產(chǎn)生磨損，嚴(yán)重時(shí)將會發(fā)生油液泄漏。因此，嚴(yán)重磨損和生成裂紋是導(dǎo)致唇形橡膠圈密封失效的主要原因。

2、結(jié)論

　　(1) 通過材料微觀分析技術(shù)，明確了唇形橡膠密封圈的失效機(jī)制，嚴(yán)重磨損和生成裂紋是導(dǎo)致唇形橡膠圈密封失效的主要原因。

　　(2) 確定了丁腈橡膠采用Van der Waals 超彈性材料本構(gòu)模型，建立了唇形密封圈軸對稱有限元模型，利用火炮發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型和液壓阻力方程，求解了不同裝藥號時(shí)密封圈的動(dòng)密封速度和變化油壓，明確了唇形密封圈的失效準(zhǔn)則。

　　(3) 對唇形密封圈的安裝、靜密封和動(dòng)密封進(jìn)行了仿真模擬，并根據(jù)密封圈失效準(zhǔn)則，對0# 和6# 裝藥時(shí)的動(dòng)密封性能進(jìn)行了分析驗(yàn)證，為探索唇形密封圈的實(shí)際壽命規(guī)律提供了依據(jù)和參考。