大變形軟材料接觸摩擦的在線測試裝備與技術(shù)分析

譚桂斌,黃 興,高軍翔,張永康,田應(yīng)成

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 省部共建精密電子制造技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州 510006;2.廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司,廣東 廣州 510700;3.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司,陜西 寶雞 721002)

聚合物橡膠是繼石油、鐵礦和有色金屬之后，現(xiàn)代科技和人類生活不可或缺的第四大戰(zhàn)略資源，聚合物軟材料的摩擦磨損問題研究一直是國際上熱點(diǎn)方向之一.相比較于金屬、陶瓷和碳纖維復(fù)材等剛性硬材料，大多數(shù)聚合物材料的彈性模量遠(yuǎn)低于這些硬材料的彈性模量(一般相差3個(gè)數(shù)量級)[1].目前，針對大變形軟材料摩擦過程的原位研究尚不多，由于理論模式與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏，現(xiàn)有的摩擦學(xué)理論尚無法有效地揭示軟材料零件表面缺陷萌生、演變和裂紋擴(kuò)展等的微觀損傷規(guī)律及機(jī)理.

“十三五”期間，我國高檔密封件和液壓件、精密軸承以及高端芯片等仍然依賴進(jìn)口，成為國家裝備制造業(yè)“短板”瓶頸.從基礎(chǔ)件摩擦學(xué)的角度看，目前，我國“材料級-零件基礎(chǔ)件級-核心部件級-產(chǎn)品級”四維度的綜合測試方法與理論匱乏.針對工業(yè)環(huán)境級的測試過程單獨(dú)存在，暫缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺支撐反饋設(shè)計(jì)和制造過程，而且測試專用裝備及數(shù)據(jù)平臺仍然需要進(jìn)口.針對以上關(guān)鍵瓶頸難題，在本課題組已發(fā)表的研究工作基礎(chǔ)上[1-2]，系統(tǒng)查閱并整理了在機(jī)械零部件接觸摩擦原位測試等方面的文獻(xiàn)資料，進(jìn)一步分析了基礎(chǔ)件摩擦學(xué)的共性關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用難點(diǎn).

1 問題提出

高性能密封件和液壓件等基礎(chǔ)零部件元器件行業(yè)，默默呵護(hù)和支撐裝備制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展.但是，某軍用裝備、新能源裝備及深海裝備等的服役可靠性和壽命不足，其精密設(shè)備中的軟材料密封故障約80%與摩擦磨損有關(guān)，迫切需要從宏觀-微觀跨尺度及多學(xué)科研究軟材料的接觸摩擦行為.

針對核心部件級“軟材料密封”的常見故障及失效(停機(jī)拆解)，發(fā)現(xiàn)大約80%失效原因來自摩擦和磨損，“黑箱”條件下出現(xiàn)了缺陷萌生、裂紋、分層剝落和點(diǎn)蝕等現(xiàn)象，如圖1(a)所示.圖1(b)中軟材料密封副包含了橡膠摩擦學(xué)系統(tǒng)問題，它與宏觀參數(shù)、微觀特征、運(yùn)行工況、環(huán)境介質(zhì)及潤滑液膜等多個(gè)因素相關(guān).圖1(c)中“軟材料密封”的接觸摩擦載荷psc，它是粗糙峰微觀接觸壓力pcn與液膜壓力pf兩者之和.總之，采用簡單的“改進(jìn)材料技術(shù)”無法確保“高性能密封產(chǎn)品”，從基礎(chǔ)件摩擦學(xué)的角度，應(yīng)該探究流-固-熱-動多物理場動態(tài)耦合時(shí)軟接觸潤滑機(jī)理，它迫切需要針對摩擦界面的在線測試新技術(shù)和新裝備等方面研究.

Fig.1 Schematic diagram of soft material sealing friction圖1 軟材料密封摩擦的示意圖

2 接觸摩擦原位在線測試的概況

2.1 國外研究進(jìn)展

2.1.1 接觸摩擦界面的光學(xué)可視化測試

1881年24歲的德國科學(xué)家Hertz在物理學(xué)家兼導(dǎo)師Helmholtz的鼓勵下發(fā)表了經(jīng)典論文《論彈性固體的接觸》(On the contact of elastic solids)，開創(chuàng)了接觸力學(xué)這門學(xué)科，Hertz接觸理論解決了無摩擦表面及理想彈性固體的接觸問題.在1950年，劍橋大學(xué)卡文迪許(Cavendish Laboratory)實(shí)驗(yàn)室Bowden和Tabor教授經(jīng)過系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，提出了微凸體黏著摩擦理論，也首次提出固體表面粗糙度和真實(shí)接觸率的重要性，開啟了現(xiàn)代接觸力學(xué)的篇章.1960年末，劍橋大學(xué)Tabor教授和博士生Roberts開展汽車雨刮器的橡膠條接觸摩擦和黏著研究，將光干涉技術(shù)應(yīng)用在橡膠/玻璃之間軟接觸區(qū)的液膜測量中[3-4]，膜厚測量分辨率約10 nm級(采用光學(xué)級光滑的橡膠)，但是該研究未考慮橡膠自身粗糙度的影響.1973年，Israelachvili[5-6]提出將等色序條紋(Fringes of equal chromatic order,FECO)方法應(yīng)用于表面力儀，此后，Israelachvili教授與合作者研制了多型號表面力儀，利用等色序條紋FECO方法可直接測量云母薄片試樣間的納米潤滑膜厚度(垂向精度0.1 nm)，但是必須在云母薄片試樣背面鍍有銀膜(厚度約20 nm，半透，反射率高達(dá)95%)，近幾十年，表面力儀逐步推廣用于膠體、界面科學(xué)、納米摩擦學(xué)和生物芯片等領(lǐng)域.1963年，Gohar和Cameron[7]利用光干涉技術(shù)進(jìn)行鋼球/玻璃盤的點(diǎn)接觸區(qū)膜厚測量，首次在線觀測了帶有出口頸縮的經(jīng)典“馬蹄形”彈流潤滑油膜形狀；Westlake和Cameron[8]在1967年提出采用玻璃盤附加二氧化硅斜墊層的方法，實(shí)現(xiàn)高分辨率超薄油膜厚度測量；此后十年，才開啟了點(diǎn)接觸區(qū)潤滑的理論解析和模擬研究.1970～1980年，英國學(xué)者以電容、電阻和X射線等技術(shù)進(jìn)行了彈流潤滑膜厚測量和探索，然而分辨率較差.

1987年，Spikes課題組[9-10]的潤滑膜厚納米級測量技術(shù)，使用了光學(xué)性質(zhì)與潤滑膜相近的Al2O3薄膜在玻璃盤的表面制成斜墊層，使得光干涉法能測量的潤滑膜厚度首次達(dá)5 nm以內(nèi)；1996年，Spikes團(tuán)隊(duì)[11]發(fā)展了研究彈流接觸區(qū)的新技術(shù)-墊層圖像法(Space layer imaging method,SLIM).1997年，捷克Hartl課題組[12]提出了比色干涉測量法(Colorimetry interferometry)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行色度對比以獲得潤滑膜的厚度.從1990年末，得益于計(jì)算機(jī)和信息傳感技術(shù)等的快速進(jìn)步，英國Spikes課題組應(yīng)用了斜墊層光干涉技術(shù)和激光誘導(dǎo)熒光技術(shù)等改進(jìn)研發(fā)的納米級超薄層膜厚測量儀(Optical measurement of very thin lubricant films)，實(shí)現(xiàn)了鋼球/玻璃盤的點(diǎn)接觸載荷0～0.7 GPa，或者陶瓷(鋼)球/藍(lán)寶石盤的載荷0～3 GPa，潤滑介質(zhì)溫度最高150 ℃等苛刻條件下膜厚測量；自2010年起，Spikes團(tuán)隊(duì)與斯凱孚公司、殼牌公司和聯(lián)合利華集團(tuán)等企業(yè)組建了摩擦學(xué)技術(shù)中心，固定科研人員60余人，十余年來進(jìn)行航空航天軸承、高鐵軸承、風(fēng)電軸承和密封件等的摩擦學(xué)研究，前沿理論與核心技術(shù)成果作為企業(yè)核心機(jī)密(極少以論文發(fā)表或公開報(bào)道).以大型跨國企業(yè)需求牽引的“摩擦學(xué)創(chuàng)新聯(lián)合體”，促進(jìn)了工程摩擦學(xué)創(chuàng)新鏈條前后端聯(lián)系的緊密性、知識服務(wù)的動態(tài)性和風(fēng)險(xiǎn)共擔(dān)的多元性等.

2.1.2 橡膠軟材料的摩擦潤滑原位測試

從2010年起，Myant[13-14]課題組和Spikes課題組等[15-16]與企業(yè)合作，提出了適合于軟材料接觸區(qū)的激光誘導(dǎo)熒光方法，研究PDMS橡膠球與玻璃盤之間的潤滑液膜厚度，得到了低黏度下水潤滑條件的接觸形狀和液膜厚度等.試驗(yàn)中采用硬質(zhì)BK17玻璃盤(室溫下彈性模量65 GPa，泊松比0.24，光學(xué)折射率1.517，表面粗糙度低于2.1 nm)與PDMS橡膠球(在超精密光學(xué)模具內(nèi)固化成形，球直徑為25.4 mm，平均表面粗糙度為10.24 nm，室溫下彈性模量為3.8 MPa)，尤其是透明玻璃和橡膠的表面無需任何納米級鍍膜，能夠測量300 nm以內(nèi)的納米級液膜厚度，測量裝置如圖2(a～b)所示，用以開展人工關(guān)節(jié)軟骨、水潤滑橡膠軸承和密封件等變速過程潤滑成膜特性研究.

此后，Spikes課題組和Dini課題組[17-18]針對聚合物摩擦中的潤滑成膜、數(shù)值計(jì)算和仿真分析等研究，將柔軟潤滑區(qū)膜厚的數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對，采用了透明聚氨酯圓盤(厚度10 mm，附加鍍鉻膜厚約30 nm；橡膠表面粗糙度4 nm以內(nèi)，彈性模量為1.85 GPa，泊松比0.48)及PMMA有機(jī)玻璃盤(厚度10 mm，附加鍍鉻膜的厚度約30 nm；表面粗糙度4 nm以內(nèi)，彈性模量為3.3 GPa，泊松比0.39)，硬質(zhì)摩擦對偶為鋼球試樣(彈性模量為210 GPa，泊松比0.3).如圖2(c)所示，分析了高彈性橡膠試樣(彈性模量約1～10 MPa)易發(fā)生變形失穩(wěn)，難以附加制成光學(xué)鍍膜，無法進(jìn)行光干涉下潤滑膜厚測量.如圖3所示，Dwyer-Joyce課題組[19]使用超聲測量技術(shù)，揭示了橡膠軟材料/有機(jī)玻璃之間的潤滑成膜規(guī)律與特性，丁腈橡膠圓球試樣的表面粗糙度約0.59 μm(球直徑19 mm，室溫下橡膠彈性模量8.59 MPa)，試驗(yàn)測量了橡膠摩擦的潤滑膜厚約1～6 μm左右，將膜厚測量結(jié)果與數(shù)值解析結(jié)果進(jìn)行比對和驗(yàn)證.

Fig.2 Diagram of in-situ observation at elastic frictional contact by Spikes’s group [16,18]圖2 Spikes課題組的軟材料摩擦界面在線觀測示意圖[16,18]

Fig.3 Diagram of in-situ measurement at rubber/glass contact by Dwyer-Joyce’s group[19]圖3 Dwyer-Joyce課題組研制的膜厚在線測試系統(tǒng)[19]

法國學(xué)者Deleau和Koenena等[20]開展了汽車雨刮的橡膠圓柱面/玻璃之間水膜厚度、形態(tài)和分布等的在線觀測研究，如圖4所示，在玻璃盤附加鍍有10 nm厚度鉻膜與200 nm厚度Al2O3膜之后的表面粗糙度約5 nm以內(nèi)(室溫下硬質(zhì)玻璃彈性模量約106 GPa，泊松比0.17)，橡膠圓柱面表面粗糙度約1 μm(橡膠彈性模量約6 MPa，泊松比0.5)，試驗(yàn)測試了干燥、薄水膜和厚水膜等狀態(tài)的雨刷效率、摩擦系數(shù)以及噪聲等規(guī)律；發(fā)現(xiàn)了在薄層水膜條件下，濕摩擦系數(shù)的變化對滑移速度非常敏感.在2006～2009年期間，以色列Etsion課題組[21-25]開展了光滑圓球與透明玻璃之間較大載荷時(shí)摩擦界面原位觀測的研究，對硬質(zhì)鋼球(銅球)或塑料圓球的彈塑性接觸早期形變、加載/卸載接觸和微動摩擦原位在線分析等，施加擠壓載荷近250 N，采用了顯微觀測、數(shù)字圖像二值化和摩擦試驗(yàn)機(jī)等技術(shù)相組合，開展了硬質(zhì)接觸的、無潤滑介質(zhì)的真實(shí)接觸率及特性研究.

在2010～2014年，Sawyer課題組及德國于利希研究中心Persson課題組等合作[26-29]采用了顯微觀測、機(jī)器視覺和微摩擦測量儀等技術(shù)相結(jié)合，施加載荷1 N以內(nèi)，如圖5所示，使用了PDMS橡膠球(室溫下彈性模量約2.2 MPa，球半徑為3.175 mm以內(nèi)，平均表面粗糙度4 nm以內(nèi))及硬質(zhì)玻璃盤(彈性模量約106 GPa，表面粗糙度2.1 nm以內(nèi))構(gòu)成了柔軟接觸區(qū)，開展了微小區(qū)域的摩擦原位觀測、溫度場測試及黏滑行為測量等的作用機(jī)制研究，成果得到航天航空、醫(yī)療器械、隱形眼鏡、預(yù)灌封注射器及密封件等行業(yè)推廣及應(yīng)用.從2015年起，在德國科學(xué)基金會(Deutsche Forschungs gemeinschaft，DFG)資助的重大課題DFG PE 807/10-1，DFG HE 4466/34-1與MU 1225/36-1等的資金支持下，由意大利Scaraggi教授、德國Persson教授與亞琛工業(yè)大學(xué)流控研究所Murrenhoff教授等合作[30-31]，將軟材料分形粗糙表面的微觀接觸理論及Persson接觸力學(xué)理論等拓展到橡膠往復(fù)密封及其泄漏機(jī)理研究中，并應(yīng)用于飛機(jī)作動器和高端裝備油缸等的密封產(chǎn)品行業(yè).

2.2 國內(nèi)主要研究動態(tài)

2.2.1 摩擦潤滑界面原位在線研究

1979～1981年，溫詩鑄作為訪問學(xué)者被派往英國帝國理工Cameron的摩擦學(xué)課題組學(xué)習(xí).1980年，溫詩鑄團(tuán)隊(duì)利用光干涉、紅外輻射和高速攝影等技術(shù)研究彈流潤滑膜厚、壓力分布和溫度場特性等，將熱彈流完全數(shù)值解和試驗(yàn)結(jié)果開展比對驗(yàn)證.1991～1994年，溫詩鑄和雒建斌課題組[32-34]用單色光的“相對干涉光強(qiáng)法”成功研制了NGY-Ⅱ納米量級潤滑膜厚測試儀，并揭示了納米級薄膜潤滑機(jī)理(Thin film lubrication,TFL)，如圖6(a)所示，膜厚測量精度為0.5 nm，水平方向的分辨率為1 μm，是當(dāng)時(shí)世界上同類儀器中最高的分辨率.2004～2008年，雒建斌教授與博士生劉書海和馬麗然等[35-36]改進(jìn)和研制了NGY-Ⅵ納米級潤滑膜厚測量儀，其具備了加溫組件、外加電場和球/盤滑滾精準(zhǔn)控制組件等，光學(xué)測量組件主要包含了顯微鏡、濾光片、圖像傳感器、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)和光源等.從2012年起，雒建斌、郭丹和梁鶴等[37-40]利用光干涉相對光強(qiáng)法進(jìn)行了最高速度為42 m/s時(shí)潤滑膜厚的在線測量以及100 m/s速度下潤滑摩擦力的實(shí)時(shí)監(jiān)測，理論模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為國產(chǎn)化燃?xì)廨啓C(jī)和航發(fā)的潤滑設(shè)計(jì)提供參考.為了研究納米間隙潤滑劑分子行為及物化特性，如圖6(b)所示，雒建斌課題組[41-42]研發(fā)了由相對光強(qiáng)干涉系統(tǒng)和拉曼顯微鏡組成的原位在線測試系統(tǒng)，使用鋼球(表面粗糙度Ra為3.3 nm)與石英盤(Ra為2 nm)組成點(diǎn)接觸區(qū)，探索納米間隙內(nèi)潤滑劑中分子極性對分子取向及分子行為的影響，可指導(dǎo)潤滑劑分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和配制.上述文獻(xiàn)可發(fā)現(xiàn)，利用相對干涉光強(qiáng)法在線測量摩擦副的潤滑膜厚與潤滑形態(tài)時(shí)，仍然有工程局限性，如圖6所示，鋼球或陶瓷球樣品需納米級拋光(表面粗糙度大約0.5～6 nm)，其透明玻璃與藍(lán)寶石盤樣品在附加鍍膜之后的表面粗糙度通常為0.3～3.5 nm.

Fig.4 Diagram of in-situ observation at wiper/glass contact by Koenena group [20]圖4 Koenena課題組研制的汽車雨刮橡膠/玻璃間在線觀測系統(tǒng)[20]

進(jìn)入21世紀(jì)以來，將摩擦學(xué)引入計(jì)算機(jī)磁頭、磁盤與芯片晶圓拋光領(lǐng)域時(shí)，清華大學(xué)雒建斌課題組[43-44]采用了熒光納米顆粒示蹤方法，建立起微弱熒光顯微示蹤測量系統(tǒng)，開展了微小區(qū)域內(nèi)含納米顆粒固液二相流體的速度測量和納米顆粒運(yùn)動狀態(tài)的觀測研究；清華大學(xué)雷均和郭丹等[45-47]在線觀測模擬化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)過程中熒光二氧化硅顆粒的運(yùn)動與形態(tài)，采用硬質(zhì)藍(lán)寶石盤/玻璃片及柔軟多孔洞的聚氨酯拋光墊擠壓形成軟接觸區(qū)，利用熒光顆粒示蹤技術(shù)搭建了化學(xué)機(jī)械拋光觀測系統(tǒng)[圖7(a)]及拋光后顆粒清洗去除觀測系統(tǒng)[圖7(b)]，發(fā)現(xiàn)軟接觸區(qū)中納米級顆粒對表面的運(yùn)動方式有滑動、滾動和碰撞等的規(guī)律.

Fig.5 Diagram of in-situ observation at rubber/glass contact by Sawyer’s group[26]圖5 Sawyer課題組[26]的摩擦接觸在線測試系統(tǒng)

此外，青島理工大學(xué)郭峰等提出了潤滑膜厚測量的多光束干涉強(qiáng)度分析法，將二色干涉法應(yīng)用于潤滑膜厚及摩擦力的同時(shí)測量；2010年沈萬輝等[48]模擬測量了人工滑液關(guān)節(jié)軟骨界面的潤滑膜厚，運(yùn)用了高彈性PMMA滑塊(PMMA材料透光率高達(dá)92%，以厚度200 nm金膜鍍膜之后的滑塊工作面粗糙度約4 nm，平面度約50 nm)及玻璃盤(加鍍鉻膜和二氧化硅膜，反射率控制在20%左右，表面粗糙度約4 nm)相互的面接觸式摩擦.2018年黃巍等[49]應(yīng)用了二色干涉膜厚測量儀，以PDMS橡膠滑塊(彈性模量1.036 MPa，泊松比0.49，表面粗糙度10 nm以內(nèi))及玻璃盤(加鍍鉻膜，表面粗糙度約4 nm)分析了帶表面織構(gòu)橡膠表面的軟潤滑成膜機(jī)制.合肥工業(yè)大學(xué)劉焜和焦云龍課題組[50-51]利用表面粗糙度約7.5 μm的柔軟橡膠球樣品和表面粗糙度約0.4 nm的硬質(zhì)摩擦對偶材料，也采用光學(xué)可視化技術(shù)分析橡膠軟材料接觸界面的滲逾和流動狀態(tài).

2.2.2 軟材料摩擦的原位在線研究

2010年起，在清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等支持下，譚桂斌等[52-54]自行研發(fā)出了動態(tài)在線測量橡膠摩擦狀態(tài)的接觸區(qū)微觀形貌及潤滑的試驗(yàn)裝置，如圖8所示，將原位光學(xué)顯微鏡、數(shù)字圖像軟件及摩擦試驗(yàn)臺進(jìn)行組合，并利用此試驗(yàn)臺研究了柔軟橡膠的彈性模量對真實(shí)接觸率的影響，進(jìn)一步將橡膠表面粗糙度、界面接觸特性及接觸力學(xué)相結(jié)合，為分析粗糙橡膠接觸界面間的真實(shí)接觸面積比和摩擦規(guī)律等奠定了試驗(yàn)基礎(chǔ).如圖8(b)和(c)所示，譚桂斌和劉書海等[55-58]結(jié)合微弱熒光示蹤技術(shù)、顯微觀測和數(shù)字圖像技術(shù)，提出了懸浮蠟顆粒在橡膠潤滑間隙“微淤積效應(yīng)”，發(fā)現(xiàn)了摩擦過程中柔軟點(diǎn)接觸區(qū)不同類型油滴鋪展的周期性黏滑效應(yīng)，揭示出橡膠摩擦過程中不同類型蠟沉積物去除、正交切削以及淤積卡堵動態(tài)模型，成果得到國內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)的關(guān)注.

Fig.6 In-situ observation of lubricating film at nanoscale by Luo’s group[32-40]圖6 雒建斌課題組研制的納米級潤滑膜厚測量技術(shù)和裝備[32-40]

Fig.7 Diagram of in-situ observation at polishing pad/glass soft contact during the CMP [45-47]圖7 模擬晶圓拋光CMP工況的聚氨酯/玻璃盤間在線觀測示意圖[45-47]

Fig.8 Diagram of in-situ testing rig at rubber tribological contact[52-54]圖8 軟材料橡膠摩擦接觸的原位在線測試裝置[52-54]

從2015年起，張德坤課題組等[59-61]開展了礦井提升鋼絲繩及襯墊之間的摩擦原位在線觀測，進(jìn)行了靜、動態(tài)載荷下軟材料粘彈性摩擦的實(shí)時(shí)觀測，采用了礦山常用的K25、G30和GM-3等三類摩擦襯墊制品，分析了摩擦提升機(jī)的聚合物摩擦襯墊與鋼絲繩之間黏彈接觸、磨損、潤滑及溫度變化規(guī)律.針對鋪管船張緊器的橡膠材料靜摩擦研究，王德國和周永杰等[62-63]采用了顯微觀測和數(shù)字圖像技術(shù)發(fā)現(xiàn)了橡膠材料黏彈性變形典型的空穴現(xiàn)象和蠕變變形等規(guī)律.方燕飛和黃平等[64]將光彈法應(yīng)用于研究聚合物軟材料摩擦過程的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律和微觀損傷機(jī)制.然而，由于機(jī)械摩擦副的環(huán)境工況苛刻，針對極端工況、尺度和環(huán)境下各種軟材料的摩擦潤滑研究，需要國內(nèi)外學(xué)者的進(jìn)一步探索.

3 工業(yè)環(huán)境級軟材料密封的全尺寸測試驗(yàn)證

3.1 國外的軟材料密封測試研究

密封產(chǎn)品正朝著“高端化、極端化、智能化、高參數(shù)和長壽命”方向發(fā)展.國外學(xué)者，如德國斯圖加特大學(xué)密封研究室Hass課題組[65-66]、亞琛工業(yè)大學(xué)Murrenhoff課題組[30-31,67-68]、英國帝國理工Nikas課題組[69-71]和美國佐治亞理工大學(xué)Salant課題組等[72-75]，各自從密封機(jī)理、仿真算法和試驗(yàn)測試等方面，對工業(yè)環(huán)境級苛刻工況(往復(fù)速度10～15 m/s，寬溫域-70～250 ℃等)的彈性體密封失效及壽命進(jìn)行研究.國外知名企業(yè)如斯凱孚、特瑞堡、圣戈班、NOK和派克漢尼汾等，與高校合作進(jìn)行了工業(yè)環(huán)境級密封可靠性研究[76-79].1996年，由英國流體動力工程協(xié)會(British Hydromechanics Research Association,BHRA)和德國斯圖加特大學(xué)密封研究室(Institute of Machine Components,IMA)等，聯(lián)合了密封產(chǎn)品制造商、用戶企業(yè)及高校等，共同提出國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7986：1997《液壓傳動 密封裝置：評定液壓往復(fù)運(yùn)動密封件性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，其在日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編號為JIS B2409: 2002.此后，在2013～2015年，中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會和全國液壓氣動標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會組織編制標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32217-2015《液壓傳動 密封裝置：評定液壓往復(fù)運(yùn)動密封件性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》(采標(biāo)自ISO 7986：1997).

Fig.9 Sealing test platform for the various soft seals products (from Trelleborg Ltd.,etc)圖9 工業(yè)環(huán)境級柔軟密封產(chǎn)品的全尺寸試驗(yàn)裝備(特瑞堡公司等)

2016年，特瑞堡密封技術(shù)研發(fā)中心在斯圖加特市建成了飛機(jī)起落架密封部件的長期耐久性和壽命測試平臺，如下圖9(a)所示，已完成20 000個(gè)完整的降落循環(huán)及額外的擦冰和淋水測試，模擬了空客A350飛機(jī)極端工況.其中，測試臺架的質(zhì)量為18 t、總功率為260 kW，往復(fù)運(yùn)動類型呈正弦波、梯形和自由形態(tài)等，模擬?60～90 ℃的環(huán)境溫度，適合直徑100～400 mm的密封件，往復(fù)速度為1 m/s，可模擬起落架在飛機(jī)剎車或極限沖擊時(shí)的側(cè)載、偏載激勵(最高達(dá)22.5 t側(cè)向荷載).如圖9(b)和(c)所示，系列化的密封測試裝備、技術(shù)及其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，在歐美發(fā)達(dá)工業(yè)國家得到了大量的研發(fā)和應(yīng)用.

3.2 國內(nèi)的軟材料密封全尺寸試驗(yàn)研究

1983年起，廣州機(jī)械科學(xué)研究院黃興課題組[80]在“六五”國家級重點(diǎn)攻關(guān)專項(xiàng)《旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)型式和設(shè)計(jì)參數(shù)的研究》等資助下，研發(fā)設(shè)計(jì)不同回流形式的流體動力油封，用光彈法分析密封件應(yīng)力和應(yīng)變分布，有限元法分析密封件唇口溫度場分布，通過理論計(jì)算與臺架試驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)的單向斜紋溝槽式油封和正弦三角形凸臺的雙向油封產(chǎn)品的臺架測試壽命達(dá)到2 000 h以上，是同期普通標(biāo)準(zhǔn)型油封的5～10倍，有助于在制造業(yè)推廣應(yīng)用.此后，在“十一五”國家科技支撐項(xiàng)目《高性能密封件關(guān)鍵技術(shù)研究》、“十二五”支撐計(jì)劃項(xiàng)目《大型及行走式工程機(jī)械密封關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用》等的資助下，廣州機(jī)械科學(xué)研究院[80-82]研究彈性體自密封機(jī)理和往復(fù)密封機(jī)理，運(yùn)用有限元法和臺架試驗(yàn)相結(jié)合方法，實(shí)現(xiàn)了超大型密封正向設(shè)計(jì)的技術(shù)突破，建成了旋轉(zhuǎn)軸唇封壽命與可靠性試驗(yàn)平臺，如圖10(a～c).根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13871.4-2007《密封件為彈性體材料的旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈第4部分: 性能試驗(yàn)程序》，圖10(a)所示的標(biāo)準(zhǔn)型唇封測試臺可進(jìn)行直徑7～200 mm、轉(zhuǎn)速為200～10 000 r/min等的密封件可靠性評價(jià)；圖10(b)所示的大尺寸唇封試驗(yàn)臺，適合于巨型設(shè)備的唇封直徑160～550 mm、轉(zhuǎn)速為200～3 000 r/min等的全尺寸密封系統(tǒng)壽命評估.此外，圖10(c)所示的高速高溫旋轉(zhuǎn)軸唇封試驗(yàn)臺能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)溫度近200 ℃、線速度最高為55 m/s的耐磨密封件全尺寸驗(yàn)證分析，適合我國航空發(fā)動機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)、大型民機(jī)和高檔內(nèi)燃機(jī)等行業(yè)需求.

2006年以來，廣州機(jī)械科學(xué)研究院自主研制了煤礦液壓支架、大型挖掘機(jī)油缸以及飛機(jī)作動器等的專用密封測試臺架[82-83]，如圖10(d～f)所示；密封行業(yè)的首個(gè)國家工業(yè)強(qiáng)基專項(xiàng)，即“十三五”的國家“強(qiáng)基工程(產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)) ”專項(xiàng)-高端橡塑密封元件研發(fā)檢測服務(wù)平臺是由黃興課題組負(fù)責(zé)和完成的，協(xié)同了國家重點(diǎn)工程建設(shè)單位、重大技術(shù)裝備企業(yè)以及密封件制造商等產(chǎn)業(yè)鏈資源，2018年6月驗(yàn)收完成.2015～2019年，在國家973項(xiàng)目《大型飛機(jī)電液動力控制與作動系統(tǒng)新體系基礎(chǔ)研究》(編號：2014CB046400)等的資助下，清華大學(xué)郭飛課題組[83-84]、浙江工業(yè)大學(xué)彭旭東課題組[85-88]以及浙江大學(xué)歐陽小平課題組[89-90]等，開展了起落架收放作動筒和液壓作動器等密封件的理論和試驗(yàn)研究，分析了典型飛行剖面下往復(fù)密封件失效規(guī)律，相關(guān)成果直接應(yīng)用于我國航空裝備企業(yè).

Fig.10 Reliability test equipment for rubber and plastic sealing products in special environments by Huang’s group圖10 黃興課題組的特殊環(huán)境下橡塑密封件可靠性試驗(yàn)裝備

4 未來研究方向與趨勢分析

4.1 共性關(guān)鍵技術(shù)的主要研究方向

聚焦于深海、深地、深空和極地等高端裝備，建議對密封一體化技術(shù)系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)、密封材料環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)及延壽以及極端環(huán)境密封系統(tǒng)壽命保障等進(jìn)行研究，重點(diǎn)突破密封產(chǎn)品穩(wěn)定性和可靠性質(zhì)量控制技術(shù)難題.針對我國重大技術(shù)裝備趨于重載、大型、高可靠、長壽命和復(fù)雜服役環(huán)境等新特點(diǎn)，研究大變形軟材料密封件的多場耦合動態(tài)服役性能以及在磨損壽命、可靠性分析和材構(gòu)性一體化設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的新原理和新方法.需開發(fā)密封配副的智能監(jiān)測、微納傳感和反饋控制技術(shù)，探索智能密封表界面與材料的設(shè)計(jì)制備方法，研發(fā)具有自修復(fù)、自存儲、自診斷等一體化功能的智能密封技術(shù).

4.2 極端工況密封件試驗(yàn)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的研究方向

現(xiàn)代工業(yè)中很多極端和復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，如新型戰(zhàn)機(jī)的寬溫域超高壓(流體工作溫度-65～200 ℃，壓差約54 MPa)工況、新一代火箭貯箱中的極低溫(液氧?182.96 ℃，液氫?252.7 ℃)工況、太空軌道上的真空/輻射/高低溫工況環(huán)境、核工業(yè)中的輻射(103～108Gy/h)工況、氫能源輸送和儲運(yùn)的高壓密封(140 MPa)工況以及芯片制造的專用設(shè)備(腐蝕、高溫、真空)等環(huán)境[91].應(yīng)用在上述環(huán)境中的密封產(chǎn)品，其性能穩(wěn)定性和壽命預(yù)測成為保證工業(yè)系統(tǒng)及產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵問題.不夸張地說，一些關(guān)鍵密封件的有效性甚至能決定1個(gè)航天器(航空器)的命運(yùn)，是工業(yè)發(fā)達(dá)國家的科技競爭高地.所以，面向國家重點(diǎn)工程，要健全極端工況、環(huán)境以及尺度下高性能密封件試驗(yàn)方法、標(biāo)準(zhǔn)體系與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫等的共性技術(shù)，為保障我國產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈的安全可控，建議推動跨行業(yè)、跨地域、跨學(xué)科的密封產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟的組建.

4.3 復(fù)雜工況高性能密封行業(yè)的新趨勢

文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，國際上重大技術(shù)裝備和關(guān)鍵零部件與材料市場大多呈現(xiàn)寡頭壟斷格局，存在大量專業(yè)精深、積淀深厚的標(biāo)桿領(lǐng)軍企業(yè)和隱形冠軍企業(yè)(品牌).例如跨國集團(tuán)，包括瑞典SKF公司、瑞典Trelleborg公司、法國Saint-Gobain公司、德國Schaeffler公司、美國的TIMKEN公司、日本的NSK和NTN公司，美國Parker-Hannifin公司以及德國Bosch公司等通過收購和重組等，逐步形成壟斷局面和技術(shù)壁壘，一方面占領(lǐng)了中國高端裝備產(chǎn)品的民品市場，限制出口高端高等級的密封件和液壓件以及軸承技術(shù)等；另一方面長期堅(jiān)持關(guān)鍵技術(shù)不離開自己國家，通過法律法規(guī)，牢牢占據(jù)技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了高額壟斷利潤，再反哺了企業(yè)內(nèi)部的基礎(chǔ)研究資金和高素質(zhì)人才隊(duì)伍.所以，需要我國科研團(tuán)隊(duì)在復(fù)雜工況高性能基礎(chǔ)件的材料、設(shè)計(jì)、制造及試驗(yàn)等技術(shù)鏈協(xié)同創(chuàng)新基礎(chǔ)理論研究，增強(qiáng)校企合作、科教融合、產(chǎn)教融合以及軍民融合等；需要龍頭企業(yè)、骨干企業(yè)吸引集聚國際化、專業(yè)化的高層次創(chuàng)新人才，進(jìn)一步推動我國密封行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展.

5 總結(jié)與展望

本文作者介紹了國內(nèi)外學(xué)者在軟材料摩擦、橡塑密封件及全尺寸測試裝備等方面的研究、設(shè)計(jì)及應(yīng)用，分析了國內(nèi)外在機(jī)械零部件摩擦界面在線測試技術(shù)的研究進(jìn)展.從基礎(chǔ)件摩擦學(xué)的角度看，從“中國制造”邁入“中國智造”仍有諸多挑戰(zhàn)，更需要廣大企業(yè)家和科技人員的不懈努力，推動“產(chǎn)、學(xué)、研、用”融合創(chuàng)新，需要在新技術(shù)、新方法和新產(chǎn)品等方面討論、實(shí)踐及交流.未來，期待有中國密封件和液壓件等企業(yè)，擁有更多自主設(shè)計(jì)研發(fā)并占有世界市場的產(chǎn)品.