橡膠膠圈失效分析

張鳳玲,王 越,侯麗華

(中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司 理化測(cè)試中心，沈陽(yáng) 110850)

橡膠膠圈失效分析

張鳳玲,王 越,侯麗華

(中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司 理化測(cè)試中心，沈陽(yáng) 110850)

某轉(zhuǎn)向器直通接頭由于膠圈損壞而漏油。通過(guò)對(duì)失效膠圈的表面及斷口的宏微觀觀察、表面及裂紋斷口表面顆粒物和油狀痕跡的能譜分析，并對(duì)密封圈所用材料進(jìn)行了傅立葉紅外光譜分析。研究表明：膠圈開(kāi)裂性質(zhì)為疲勞斷裂，膠圈老化性能下降是其開(kāi)裂的主要原因；膠圈安裝槽螺栓側(cè)存在倒角，膠圈變形進(jìn)入倒角使其受力不均，且螺栓側(cè)的膠圈與環(huán)境空氣存在接觸可能，從而加速了材料的老化。

膠圈；失效；斷口；老化；疲勞斷裂

橡膠密封件失效一般會(huì)引起密封流體泄漏，輕則造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，重則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效。通常的密封失效原因包括密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不合理、密封件的安裝和成型不合理以及使用工況不合適等。在密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理方面主要包括密封零件的表面質(zhì)量，密封溝槽、密封間隙問(wèn)題和背壓效應(yīng)等，密封件的安裝和成型不合理問(wèn)題包括密封件的質(zhì)量、扭曲效應(yīng)和顆粒磨損效應(yīng)等，而密封件的使用工況則涵蓋了氣蝕現(xiàn)象、迪塞爾效應(yīng)、焦耳熱效應(yīng)等。在大多數(shù)情況下，通過(guò)分析失效橡膠密封件的斷口形態(tài)，即可查明橡膠密封件失效的原因，從而找到相應(yīng)的解決對(duì)策[1-6]。

某轉(zhuǎn)向器直通接頭膠圈由于損壞而導(dǎo)致漏油。膠圈一側(cè)用于液壓油的密封，工作壓力為28 MPa；另一側(cè)由螺帽固定。該膠圈在機(jī)構(gòu)中為靜密封圈，所采用的材料為丁腈橡膠，故障發(fā)生時(shí)膠圈已使用了7年。

本文對(duì)膠圈表面及損傷情況進(jìn)行了外觀檢查，對(duì)膠圈表面及斷口進(jìn)行了宏微觀觀察與能譜分析，對(duì)密封圈所用材料進(jìn)行了傅立葉紅外光譜分析。在此基礎(chǔ)上，確定了膠圈的失效性質(zhì)，并對(duì)其失效原因進(jìn)行了詳細(xì)分析并提出了避免失效的解決方案。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 外觀檢查與分析

失效膠圈的外觀如圖1所示，從圖1中可以看出膠圈的外圈分型面下方存在明顯的擠壓變形，從而使下側(cè)的外徑增大；膠圈在裝配過(guò)程中與螺帽接觸面存在半徑0.6 mm的倒角，可以確定外徑增大是由于在擠壓作用下橡膠圈向倒角處變形產(chǎn)生的。表面直徑變大一側(cè)與螺帽相接觸，另一側(cè)表面與液壓油接觸，從圖1中可以看出膠圈與液壓油接觸面存在兩條呈“八”字形的徑向裂紋，其他區(qū)域表面平整光滑，光照下呈現(xiàn)一定的反光特征，未見(jiàn)明顯擦劃、割傷等機(jī)械損傷痕跡，如圖1(a)所示；而與螺帽接觸一側(cè)表面，“八”字形裂紋中的一條向周向延伸約4.5 mm后又向軸向延伸，整體呈“肘”形，裂紋附近區(qū)域表面相對(duì)粗糙，光亮度較差，光照下僅在遠(yuǎn)離裂紋的小部分區(qū)域存在反光特征，如圖1(b)所示。

圖1 失效膠圈的外觀

1.2 體視顯微鏡檢查

采用體視顯微鏡對(duì)膠圈表面形貌及損傷狀態(tài)進(jìn)行檢查。與油接觸一側(cè)的膠圈表面平整光滑，未見(jiàn)明顯擦劃、磨損等機(jī)械損傷。但軸向表面分型面下方出現(xiàn)了明顯的擠壓變形，使得靠近螺帽接觸面一側(cè)直徑變大，并且在膠圈整個(gè)圓周方向上均存在擠壓變形；與螺帽接觸一側(cè)表面則呈現(xiàn)發(fā)灰的形貌，光亮度較差。另外擠壓變形區(qū)域的膠圈外側(cè)邊緣存在大量龜裂小裂紋，小裂紋沿周向分布且相互之間的間距較為均勻，呈現(xiàn)明顯的老化開(kāi)裂特征，如圖2(a)所示。

膠圈軸向表面形貌與周向表面相似，擠壓變形區(qū)域邊緣位置(膠圈軸向中心)存在周向裂紋，長(zhǎng)度約占周長(zhǎng)的三分之一。此外上下兩側(cè)存在與之相交的兩條軸向裂紋，三條裂紋匯聚形成的“肘形”裂紋，將兩條軸向裂紋編號(hào)為1#和2#，周向裂紋編號(hào)為3#。從圖2(b)中可以看出，3#裂紋上側(cè)未發(fā)生明顯擠壓變形的區(qū)域表面平整光滑，而下側(cè)擠壓變形區(qū)域表面則相對(duì)粗糙，且存在大量微裂紋，局部可見(jiàn)擦劃損傷形貌，如圖2(b)所示。

圖2 膠圈不同位置的損傷形貌

沿周向?qū)D2(b)中“肘形”裂紋打開(kāi)，斷口整體較為平整。周向的3#斷口整體呈45°斜斷口，表面可見(jiàn)二次裂紋。對(duì)3#裂紋匹配斷口進(jìn)行觀察，可見(jiàn)裂紋起源于膠圈的軸向外側(cè)表面(擠壓變形區(qū)邊緣)，為線源，其擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)明顯的疲勞弧線，為疲勞開(kāi)裂，如圖3所示。

圖3 人工打開(kāi)3#裂紋匹配斷口

另外，從圖2中可以看出，1#斷口呈弧形，斷口表面可見(jiàn)明顯的撕裂棱線，未見(jiàn)明顯疲勞特征，斷口附近未見(jiàn)明顯加工和材質(zhì)缺陷。2#斷口表面相對(duì)平整，未見(jiàn)明顯疲勞特征與材質(zhì)缺陷。

1.3 掃描電鏡觀察

圖4為掃描電鏡下周向3#裂紋斷口形貌，從圖4中可以看出斷口整體較為平整，表面存在大量顆粒和油狀物質(zhì)，如圖4(a)所示。裂紋源區(qū)起源于膠圈軸向外表面，源區(qū)存在掉塊，擴(kuò)展區(qū)初期可見(jiàn)疲勞弧線，擴(kuò)展后期可見(jiàn)明顯放射棱線，如圖4(b)所示。3#源區(qū)附近的表面形貌如圖5所示，從圖5中可以看出源區(qū)附近的外側(cè)表面存在著明顯“磨擦變糙”的特征，可能是膠圈與裝配金屬多次摩擦造成。

擠壓變形區(qū)域的微觀形貌如圖6所示，從圖6中可以看出，區(qū)域表面除小裂紋外還存在大量軸向微裂紋，另外還存在明顯“磨擦變糙”的特征，部分裂紋內(nèi)可見(jiàn)析出物。

圖4 3#裂紋斷口形貌

圖5 3#源區(qū)附近的表面形貌

圖6 螺帽接觸面的形貌

在掃描電鏡下觀察軸向1#裂紋的斷口形貌，斷口污染較為嚴(yán)重，裂紋起源于周向裂紋交匯處，靠近膠圈表面的位置。另外周向二次裂紋兩側(cè)斷口存在明顯差別，左側(cè)平整，右側(cè)起伏較大，且整個(gè)斷口未見(jiàn)明顯疲勞特征，表明1#裂紋在周向的二次裂紋之后形成。2#裂紋斷口形貌與1#相似，斷口表面存在較多白色顆粒狀物，裂紋起源于周向裂紋交匯處，斷口未見(jiàn)明顯疲勞特征。

綜上分析3#裂紋斷口具有疲勞特征，且1#和2#軸向裂紋均起源于與3#裂紋交匯位置，表明3#裂紋最先形成。

1.4 能譜分析

對(duì)膠圈裂紋斷口表面顆粒物和油狀痕跡進(jìn)行能譜分析，能譜分析所獲得的顆粒和油狀物的組成元素及其含量如表1所示。表1中未見(jiàn)異常元素：顆粒物除C、O外主要為Na、Zn、Ca等金屬元素。由膠圈的組分元素可知，Na主要來(lái)源于油液等外來(lái)污染物，Zn、Ca主要來(lái)源于橡膠添加成分的析出；油狀痕跡主要為C、O元素。

1.5 紅外光譜分析

紅外分析譜分析如圖7所示。新膠圈所用材料與受損膠圈均為同一牌號(hào)的丁腈橡膠，兩種材料的紅外譜圖無(wú)明顯差異?？梢耘懦軗p膠圈因用錯(cuò)材料引起失效的可能。從圖7中可以看出，材料在2 235 cm-1出現(xiàn)丁腈膠-CN基團(tuán)的特征吸收峰；1 434 cm-1有-CH2的特征吸收峰、963 cm-1、908 cm-1出現(xiàn)丁腈橡膠雙鍵的特征吸收峰；表明橡膠材料主體為丁腈橡膠。另外受損膠圈與新膠圈相比1 731 cm-1附近的特征吸收峰峰面積明顯降低，該峰位為增塑劑分子中酯基的特征吸收峰，可能是由于橡膠材料與空氣接觸后，增塑劑抽出損失所致，由此可以判斷受損膠圈與空氣接觸后容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象。

2 分析與討論

失效膠圈的斷口觀察表明，膠圈周向裂紋為主裂紋，裂紋斷口可見(jiàn)疲勞特征，由此判斷膠圈為疲勞開(kāi)裂。從外觀與體視顯微觀察結(jié)果可以確定，膠圈靠近螺栓側(cè)存在明顯的擠壓變形，為膠圈在油內(nèi)發(fā)生溶脹、在壓縮載荷作用下，橡膠逐漸向倒角空隙位置變形導(dǎo)致的。裂紋起源于擠壓變形的邊緣，疲勞開(kāi)裂與擠壓變形有關(guān)。

圖7 膠圈的紅外光譜對(duì)比譜圖

該密封圈為O形圈，用材屬于硫化丁腈橡膠，硫化橡膠是一種彈性顯著的高彈性材料，能在外力的作用下改變自己的尺寸，發(fā)生很大的可逆變形[4]。對(duì)O形圈作靜密封時(shí)，隨著流體壓力的增加，O形圈內(nèi)部的Von Mises應(yīng)力也相應(yīng)增加，因擠出到右下方倒角間隙而發(fā)生剪切破壞的可能性加大。O形圈上表面和溝槽底面的接觸壓力形狀和大小差別不大。隨著流體壓力的增加，兩表面上的接觸壓力都相應(yīng)地增加，最大接觸壓力始終大于流體壓力，且兩者基本成線性關(guān)系，體現(xiàn)了O形圈的自密封原理。當(dāng)流體壓力升高到6 MPa以上時(shí)，若不使用擋圈，O形圈會(huì)發(fā)生剪切失效。使用擋圈后，擋圈承受了主要的作用力，對(duì)O形圈起到保護(hù)作用，并且有效避免了倒角處的剪切失效，擋圈的使用有效地提高了O形圈的工作壓力[6]。如果密封槽棱角處的倒角半徑太大,密封圈會(huì)被擠出，一般倒角的半徑應(yīng)為0.1 mm和0.2 mm[7-13]。本文中的密封槽的倒角半徑為0.6 mm，且在沒(méi)有使用擋圈的前提下，膠圈所承受的流體壓力達(dá)到了28 MPa，較大的壓力或?qū)е履z圈被擠出到右下方倒角間隙，而發(fā)生擠壓變形。

非擠壓變形區(qū)表面，相對(duì)光滑平整，未見(jiàn)小裂紋與微裂紋，沒(méi)有明顯的老化特征；而擠壓變形區(qū)域表面存在大量徑向微裂紋，可能與擠壓變形區(qū)域所受的應(yīng)力較大有關(guān)。另外，擠壓變形區(qū)域?yàn)槟z圈與螺栓接觸的一側(cè)，此側(cè)可能會(huì)與空氣接觸，丁腈橡膠在空氣中更易發(fā)生老化，這可能是導(dǎo)致擠壓變形表面產(chǎn)生大量微裂紋的另一個(gè)原因[14-15]。

橡膠制品大多數(shù)都是在應(yīng)力狀態(tài)下使用的。應(yīng)力對(duì)橡膠的老化有著顯著的影響。由于橡膠結(jié)構(gòu)及其應(yīng)力分布的不均勻性，在經(jīng)受變形疲勞過(guò)程中，應(yīng)力就會(huì)嚴(yán)重破壞橡膠的分子結(jié)構(gòu)，使大分子斷裂，生成自由基，引發(fā)橡膠大分子的氧化鏈反應(yīng)，導(dǎo)致橡膠老化[9]。

綜上分析，由于橡膠安裝槽一側(cè)存在倒角，膠圈在壓縮載荷與油壓共同作用下向倒角空隙位置變形，使得膠圈受力不均，加速了橡膠的老化，性能下降。在工作過(guò)程中油壓變化等循環(huán)載荷作用下，擠壓變形區(qū)邊緣(應(yīng)力集中部位)發(fā)生疲勞開(kāi)裂，進(jìn)而擴(kuò)展造成膠圈最終失效。

3 結(jié)論

(1)失效膠圈的開(kāi)裂性質(zhì)為疲勞斷裂，膠圈老化性能下降是其開(kāi)裂的主要原因；

(2)橡膠安裝槽螺栓側(cè)存在倒角，膠圈變形進(jìn)入倒角使其受力不均，且螺栓側(cè)的膠圈可能會(huì)與空氣接觸，加速了材料的老化；

(3)膠圈靠近螺栓側(cè)如果使用擋圈，則可有效地避免倒角處的剪切失效。

[1]侯學(xué)勤,范金娟.橡膠密封件的失效分析與橡膠斷口形態(tài)[J].世界橡膠工業(yè),2010,37(12):33-37.

[2]羅鵬,倪洪啟,陳富新.液壓系統(tǒng)丁晴橡膠(NBR)密封件失效形貌特征分析[J].重型機(jī)械科技,2004(2):35-37.

[3]胡黃卿.分析液壓系統(tǒng)橡膠密封失效的原因及其預(yù)防[J].木材加工機(jī)械,2001(3):12-16.

[4]張繼華,任靈.液壓系統(tǒng)橡膠密封件的失效典型案例分析[J].宇航材料工藝,2009(4):73-75.

[5]周波,侯學(xué)勤.受油探頭橡膠密封圈失效分析[J].失效分析與預(yù)防,2011,6(1)：40-43.

[6]吳瓊,索雙富，劉向鐸，等.丁腈橡膠O形圈的靜密封及微動(dòng)密封特性[J].潤(rùn)滑與密封,2012,37(11):5-11.

[7]朱俊.談液壓橡膠密封件的使用和維修[J].液壓氣動(dòng)與密封,2010(3):5-10.

[8]傅國(guó)如,陳衛(wèi)東,李權(quán).飛機(jī)貨艙門(mén)密封橡膠條斷裂失效研究[J].金屬熱處理，2007(32)：87-90.

[9]胡文軍，劉占芳，陳勇梅，等.橡膠的熱氧加速老化試驗(yàn)及壽命預(yù)測(cè)方法[J].橡膠工業(yè),2004(51):620-624.

[10]常新龍,姜帆.高溫、濕熱環(huán)境下氟橡膠密封圈失效研究[J].裝備環(huán)境工程,2012,9(1):23-25.

[11]王雋.船舶艉軸密封裝置O形橡膠密封圈失效分析[J].潤(rùn)滑與密封,2007,32(4):163-166.

[12]馮長(zhǎng)征.液壓系統(tǒng)橡膠密封失效的原因分析及預(yù)防[J].建筑機(jī)械,2000(1):33-35.

[13]韓志宏.液壓系統(tǒng)中橡膠密封件失效情況及預(yù)防措施[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā),2008,23(1):49-50.

[14]張忠.液壓系統(tǒng)橡膠密封及其失效分析[J].同煤科技,2009(3):28-29.

[15]徐金鵬,胡榮霞.O形橡膠密封圈泄漏問(wèn)題的原因分析及預(yù)防措施[J].橡膠工業(yè),2013(60):677-681.

(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：劉敬鈺)

The failure analysis of rubber o-ring seal

ZHANG Feng-ling,WANG Yue,HOU Li-hua

(Physical and Chemical Testing Center，AVIC Shenyang Aircraft Corporation,Shenyang 110850,China)

The oil leakage from the steering device straight joint happened because of the damaged O-ring seal.In this paper,the failed O-ring seal surface and fracture were observed by macro and micro optical system,and the energy spectrum analysis was conducted for the surface and fracture′s particulate matter and oil traces,and the fourier transform infrared spectroscopy analysis was made on the O-ring seal material.The results show that the failure was caused by fatigue fracture,and degradation of the aging properties was the prime reason for the O-ring seal cracking.The O-ring seal installation slot bolt side has a chamfer,into which O-ring seal was deformed,so it will bear non-uniform load,and the O-ring seal on the bolt side may contact with the environment air,thus accelerating the materials′ aging process.

O-ring seal；failure；fracture；aging；fatigue fracture

2015-03-04

張鳳玲(1972-)，女，內(nèi)蒙古赤峰人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向:非金屬材料檢測(cè)與失效分析，E-mail:fengling _zhang@126.com 。

2095-1248(2015)03-0037-05

TP391.7; V261.2

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.03.007