大环径比O形复合金属密封件制备工艺及静力学性能研究

孟艳

摘要：金属橡胶始于1970年代，由俄罗斯萨马拉国立航空航天大学进一步研究，并应用于航空和民用领域。金属橡胶是一种具有弹性的多孔材料，其外部载荷可导致金属线的压缩、回弹和阻尼，其制造方法包括金属线线圈、螺旋螺钉拉伸、编织、冷冲压、超声波清洗等。内部是由螺旋导线互连形成的空间栅格结构。目前对o型橡胶接头的研究主要侧重于直径较小的接头的研制、金属橡胶的设计结构和高分子外部区域等。但直径大于环径并包复不锈钢区的金属橡胶接头的研究较少。金属橡胶是另一种具有累积损伤、寿命较长和相对稳定性能的材料。但是，目前国内外尚未对不锈钢外壳的金属橡胶密封件进行使用寿命评估。

关键词：大环径比O形；复合金属密封件；制备工艺

引言

随着现代工业的发展，密封技术在各个领域得到了越来越广泛的应用。一些高精度的仪器和元器件对密封性能的要求越来越严格。这些元件的密封性能直接关系到相关领域能否突破现有的发展瓶颈。为了保证现代工业的可持续发展，迫切需要研究更可靠的密封技术，达到更有效的密封效果。目前常用的密封材料以橡胶材料为主，但是橡胶材料因其本质属性的局限性而约束了适用范围，例如：橡胶材料在大温差下无法正常工作，其在高温下易老化、低温下易脆裂，难以承受较大的压力；同样在高真空、强腐蚀、强辐射工作环境下，橡胶材料易老化而失效。因此，自主研发和探索在特殊工况下的高性能密封件，一直是密封防泄漏领域的主要研究课题之一。金属橡胶因具有工作温度范围大、抗腐蚀、强度高等特性，可以在恶劣工程环境中应用，在密封领域得到越来越多的重视。金属橡胶是一种弹性多孔状材料，其内部为螺旋状金属丝相互交错勾连形成的空间网状结构，在外载的作用下可以实现压缩、回弹及阻尼耗能等作用。

1优势

传统密封件通常是橡胶密封结构，由于耐高温、老化和耐腐蚀，通常只能满足125c高温环境的要求。此外，它们的储存寿命和使用寿命较短，在某些环境温度较高的特殊情况下不能使用。采用比o形复合金属密封件直径更大的环直径具有以下优点:(1) 密封性高。采用激光熔焊等焊接技术对o形环大直径复合金属密封件，可实现空气密封性功能，密封性(泄漏率)可达1×10-5 pacm 3/s。(2)优良 波形管采用不锈钢金属材料，能经受600℃的高温。(3)可靠性高。喷管具有与弹簧相似的机械特性，重复精度高，耐疲劳性高，使用寿命长。(4)对环境的抵抗力良好。采用大于复合金属附件o的环径，以抗酸性和碱性大气环境。(5)具有电磁屏蔽功能。开关装有完全密封的金属外壳，可有效避免电磁干扰。(6)具有防爆功能。吹扫结构采用金属材料，密封性等级可达到空气密封性，可实现防爆功能。

2金属橡胶密封件制备工艺

本次制备采用丝径为0.20mm的304不锈钢金属丝作为原材料，并将选取的金属丝经过金属丝螺旋圈绕制设备绕制，绕制出螺旋卷的内径为约丝径的10倍，该种尺寸的金属丝螺旋卷可以在编织毛坯时更好地使毛坯成型。将绕制好的金属丝螺旋卷进行定螺距拉伸，其中拉伸后螺旋卷的螺距与其内径大致相等，这样可以使金属丝之间的啮合效果最好，保证后续在压制金属橡胶毛坯时体积稳定性最高。经过金属橡胶毛坯自动化缠绕设备缠绕后，即可得到成型的金属橡胶弹性内芯毛坯。最后将毛坯放入大环径比O形金属橡胶弹性内芯专用压制成型的模具中，用液压机进行冷冲压，即可得到金属橡胶弹性内芯。制备成型的金属橡胶弹性内芯因为缺少成型模具的约束，会出现微量扩张，因此为了将金属橡胶弹性内芯放置在不锈钢毛细钢管包裹层中，本文采用铣床切割机进行精确切取毛细不锈钢管，开槽宽度为2±0.1mm。然后，将开槽的钢管放置在特制的折弯模具中进行折弯、整圆工艺处理。由于毛细钢管材质较硬难以折弯，因此折弯时使用便携式高温火焰喷枪，最高温度达1000℃，可以满足本次试验要求。在利用弯管机构对毛细钢管进行折弯时，运用喷枪产生的高温火焰的外焰缓慢烤制毛细钢管使其软化、降低毛细钢管在折弯时产生的屈服应力，减少因折弯而产生的局部损伤，提高毛细钢管包裹层圆度。最后，利用激光焊接机对折弯的钢管进行接口处激光焊接，焊接完成后对包裹层进行整圆处理，以保证包裹层的圆度。同时用砂纸对焊接后的包裹层进行打磨去除包裹层在制备时产生的毛刺，完成金属橡胶密封件包裹层的制备。

3大环径比O形复合金属密封件制备工艺及静力学性能

3.1常态下金属橡胶密封件的疲劳特性

一、经过五个不同的振动周期后，试验样品延迟线的形状基本相同；第二，随着振动周期的增加，回归线沿图中的箭头指示的方向偏移。第三，在15万次振动周期之前，迟滞线的偏移随振动次数变化较大，在15万次振动之后，偏移变化较小，迟滞线基本重合；第四，在振动开始时，试验样品的延迟线比较均匀，随着振动周期的增大，延迟线的右上曲线有一个较小的水平变化段；五是随着振动周期的增加，试验样品延迟线的面积逐渐减小。出现这种现象的主要原因如下:对于具有相同孔隙度的试验样品，随着振动周期的增加，密封元件不锈钢包层将实现一定程度的永久塑性变形，局部的弹性内芯磨损将断裂，内芯部分也就是说绝对能量消耗能力下降。在15万个振动周期之前，损伤系数降低得更少；在15万个振动周期之后，试验样品的损伤系数大大降低。这是因为振动周期达到一定范围后，试验样品的结构会产生较大的磨损和金属丝断裂，导致样品的阻尼能耗能力丧失，样品损坏加剧。

3.2安全防护

硫化氢(H2S)是一种无色易燃气体，与氰化物一样有毒。这是涉及有毒气体的工业事故最常见的原因之一。硫化氢对人类毒性很大，在低浓度的情况下，它主要刺激眼睛和呼吸粘膜，并可能导致化学炎症和肺水肿。高浓度对中枢神经系统和整个身体的毒性影响。极高的硫化氢浓度可以直接刺激颈动脉受体，反射性地抑制呼吸中心，导致呼吸突然停止。因此，在试验期间涉及硫化氢的作业必须得到充分保护。首先，需要有一个独立的酸性气体实验室，试验实验室在吸附工作环境中配备相应的气体检测装置和H2S气体洗涤器(活性炭吸附装置)。该实验室包括一个控制室，其中包括两个酸性气体实验室独立的温度和压力调节设备，从而为监测试验创造了一个没有H2S的环境。试验实验室有一个连续运行的定制通风装置，每小时通过洗涤器底座几次净化实验室空气。用于酸性气体试验的浸渍试验容器是410种材料，所有压力发生器和大多数管道系统和连接器都是耐腐蚀的合金结构。内部测试电缆用蛇形包装，电气连接器(和照明设备)配有防静电外壳。试验，包括使用酸性气体，应由合格和经授权的人员进行。在发生需要采取行动的事故时，这些工作人员接受了使用自己的通风设备的培训。

结束语

金属橡胶密封件在压缩试验初期会出现明显的转折区，并且转折区的横坐标随着载荷增加而不断增加，而转折区的纵坐标基本保持在同一水平即载荷为2.4kN。且孔隙度越大，其转折区越趋向原点。金属橡胶密封件因存在不锈钢包裹层使其相比于金属橡胶弹性内芯具有更强的承载能力，在压缩量小于15%时，金属橡胶密封件的承载能力就是其内芯的4~5倍。

参考文献

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