淺談螺旋密封原理及在電動(dòng)工具中的應(yīng)用

姜肖軍，王俊豪

（ 1．浙江東川電器有限公司，浙江武義 321200；2．浙江永康石柱電器廠，浙江永康 321301 ）

淺談螺旋密封原理及在電動(dòng)工具中的應(yīng)用

姜肖軍1，王俊豪2

（ 1．浙江東川電器有限公司，浙江武義 321200；2．浙江永康石柱電器廠，浙江永康 321301 ）

介紹了螺旋密封的兩種基本結(jié)構(gòu)、工作原理及封液能力的計(jì)算和設(shè)計(jì)方法，得出螺旋密封無泄漏的條件。通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了旋向問題的重要性，為螺旋密封的應(yīng)用提供了經(jīng)驗(yàn)。

螺旋密封 泵送流動(dòng) 泄漏流動(dòng)

0 引言

眾所周知，密封的作用簡單而言就是將不同的壓力空間隔開。從密封的發(fā)展史上來看，這種隔開的手段一般采用接觸式。接觸式密封存在摩擦阻力大，壽命短，消耗動(dòng)力大的特點(diǎn)。螺旋密封是近幾十年來發(fā)展起來的一種利用流體動(dòng)壓反輸?shù)膹较蚍墙佑|式轉(zhuǎn)軸密封結(jié)構(gòu)，屬于非接觸式密封結(jié)構(gòu)。工作時(shí)，密封件之間不發(fā)生摩擦，軸功率損耗和發(fā)熱小、壽命長，在密封體間保持較大間隙的情況下仍能起作用。

螺旋密封已在核技術(shù)、宇航技術(shù)等尖端技術(shù)領(lǐng)域及高速離心式壓縮機(jī)上成功應(yīng)用。由于其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊等特點(diǎn)，逐漸應(yīng)用到電動(dòng)工具行業(yè)中，特別是在電錘、電鎬等產(chǎn)品上使用螺旋密封也已經(jīng)得到了廣泛采納。本文就其密封原理和理論設(shè)計(jì)與計(jì)算依據(jù)作簡單探討。

1 結(jié)構(gòu)簡介

螺旋密封的基本結(jié)構(gòu)是在密封部位的軸或孔的表面上 (或同時(shí)在兩者上) 切出螺旋槽。螺旋槽若開在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，則稱為螺桿式螺旋密封；若開在孔上，則稱為螺套式螺旋密封；若兩者的表面上同時(shí)切出旋向相反的螺旋槽， 則稱為迷宮式密封。其作用和工作原理見圖1。

圖1 螺旋密封作用和原理

螺旋密封雖然結(jié)構(gòu)簡單，就其本身來說不需要任何輔助密封部件，但對其幾何形狀和旋向要求較嚴(yán)，并且對螺旋槽開在轉(zhuǎn)動(dòng)件和靜止件上的旋向有一定要求，否則將起不到密封作用，可能加快泄漏。

如圖1（a）所示，螺旋槽開在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，趕液方向向左，軸的旋轉(zhuǎn)方向向左，確定軸上的螺旋為右旋。

如圖1（b）所示，螺旋槽開在靜止件上，趕液方向向左，軸的旋轉(zhuǎn)方向向右，確定靜止件上的螺旋為右旋。

無論螺紋槽開在轉(zhuǎn)動(dòng)件或者靜止件上，在轉(zhuǎn)動(dòng)件旋轉(zhuǎn)方向確定的前提下，趕液方向決定了螺旋方向。

2 原理淺析

螺旋密封的工作原理簡單，利用泵送效應(yīng)和透氣效應(yīng)實(shí)現(xiàn)密封效果。

螺旋密封的軸表面開有螺旋槽，孔為光表面，這與迷宮密封的開槽情況是一致的，也可以把螺旋密封看成迷宮密封的一種特殊形式，稱為螺旋迷宮。螺旋迷宮的齒是連續(xù)的，由于齒的連續(xù)性，通過齒的介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，螺旋槽不再作為膨脹室產(chǎn)生漩渦來消耗流動(dòng)的能量，而是由螺旋槽對液體施加一個(gè)推進(jìn)力并進(jìn)行能量交換，將軸的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換成粘性液體的壓力能，從而形成密封壓頭（即泵送效應(yīng)）。該壓頭與被密封介質(zhì)的壓力相平衡，從而阻止流體泄漏。

另外，介質(zhì)在通過螺旋齒頂與孔的間隙時(shí)，其一部分越過齒頂流過，而不沿著螺旋槽向流動(dòng)，即透氣效應(yīng)。當(dāng)介質(zhì)通過螺旋槽的尖角時(shí)會產(chǎn)生局部壓力損失，加上流通截面大小的變化而形成渦流，也會引起局部壓力損失，這些局部壓力損失減緩和阻止了介質(zhì)向外流動(dòng)。這一特點(diǎn)與迷宮密封的情況相一致，都是利用膨脹室產(chǎn)生旋渦來消耗流動(dòng)能量進(jìn)行密封。

3 設(shè)計(jì)方法

能否準(zhǔn)確計(jì)算出螺旋密封的封液能力是螺旋密封的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。螺旋密封的封液能力是指螺旋槽對粘性液體的泵送作用所產(chǎn)生的密封壓頭，該壓頭若能與被密封液體的泄漏壓差相平衡時(shí)，則能阻止液體泄漏， 即實(shí)現(xiàn)零泄漏。

螺旋密封封液能力的計(jì)算方法有多種， 其中有代表性的是 Boon（布恩）、Tal（太爾）和CreaseAB（克里斯）計(jì)算方法?？死锼狗椒▊?cè)重實(shí)用，該方法將螺旋密封內(nèi)部流動(dòng)分為泵送流動(dòng)和泄漏流動(dòng)。

3.1泵送流動(dòng)

泵送流動(dòng)是槽中庫塔流動(dòng)，泵送流量為：

從螺旋幾何形狀可知：

式中 v—密封表面旋轉(zhuǎn)速度

α—螺旋升角

bg—軸向槽寬

d—槽深

i—頭數(shù)

bL—軸向齒寬

D—密封直徑

3.2泄漏流動(dòng)

泄漏流動(dòng)沿兩條路徑產(chǎn)生，即沿螺旋槽和越過齒頂。兩種情況下的泄漏均可通過縫隙流動(dòng)公式計(jì)算：

沿螺旋槽密封泄漏量：

越過齒頂泄漏量：

總泄漏量為：

式中 ΔP—壓降

η —?jiǎng)恿φ扯?/p>

h—槽半徑間隙

C—同心時(shí)密封半徑間隙

L—密封充液長度

H—h/ C

3.3密封能力分析

當(dāng)泵送流量與泄漏量相等時(shí) (即流量平衡)，即可說明密封無泄漏。根據(jù)此理論， 則可根據(jù)上述公式進(jìn)行螺旋密封無泄漏條件下的封液能力計(jì)算。Q泵＞Q總泄漏量，可滿足密封能力。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

已知條件：工作壓力ΔP=1 000 Pa，密封直徑D=18 mm，螺旋槽為M18X1.5，密封油脂的動(dòng)力粘度η=35x10-6N.s/m2，螺紋圈厚度為4 mm，密封表面旋轉(zhuǎn)速度v=22 500 r/min，同心時(shí)密封半徑間隙C=0.2 mm，螺紋頭數(shù)i=1。驗(yàn)證螺紋圈能否滿足密封能力，進(jìn)行有效密封。

根據(jù)螺紋知識M18X1.5，可求得螺紋升角α=5.0 348；軸向槽寬bg=1.3X10-3m；槽深d=0.56 P=0.84X10-3m；軸向齒寬bL=0.2X10-3m；

r=bg/(bg+bL) r=0.867 L=4 X10-3m

槽半徑間隙 (d+C)：h=1.04X10-3m H=5.2

將已知參數(shù)代入公式：

求得：Q泵=678.77X10-6

Q總泄漏量=2.5X10-6

即：Q泵＞Q總泄漏量，能夠滿足密封能力。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述計(jì)算驗(yàn)證，制作M18X1.5的螺紋圈和M18X1.5左旋的螺紋圈，分別安裝到兩臺C28A0電錘的電機(jī)軸端上編號為1和2，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

表1 實(shí)際裝機(jī)考核指標(biāo)

臺架試驗(yàn)編號1，運(yùn)行9 700個(gè)周期后無漏油現(xiàn)象，風(fēng)葉風(fēng)口處只有黑色的碳粉。臺架試驗(yàn)編號2，在運(yùn)行1 100個(gè)周期后出現(xiàn)大量漏油現(xiàn)象，風(fēng)葉風(fēng)口處冒油。

拆機(jī)檢查1號機(jī)裝配的是M18X1.5的螺紋圈，該電錘電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樽笮?，無漏油，螺紋圈固定，無松動(dòng)。

拆機(jī)檢查2號機(jī)裝配的是M18X1.5左旋的螺紋圈，該電錘電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樽笮?，漏油?yán)重，螺紋圈固定，無松動(dòng)。

6 結(jié)語

通過探討，基本掌握螺旋密封的理論原理和設(shè)計(jì)計(jì)算驗(yàn)證方法。我司6款產(chǎn)品（0840、0835、C28A0、1201、11E、1304）采用了螺旋密封，取得了較好的密封效果。

通過實(shí)驗(yàn)，也驗(yàn)證了旋向問題的重要性。旋向錯(cuò)誤，密封作用無效，甚至可能加快泄漏。對于螺紋圈處于旋轉(zhuǎn)件的旋向與電機(jī)的旋向必須相反，才能實(shí)現(xiàn)密封效果。

在螺旋密封中，間隙、幾何形狀、螺距、頭數(shù)、螺旋角、厚度等螺旋槽的幾何參數(shù)等應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行驗(yàn)證，靈活掌握。

[1]劉忠偉，鄧英劍，劉少軍，明興祖.螺旋密封封液能力的計(jì)算及其優(yōu)化[J].潤滑與密封，2006(08).

[2]王者文，范宗霖，王彥明，施亮，楊海根.螺旋密封在流體機(jī)械中的應(yīng)用[J].流體機(jī)械，2004(2).

On the Helix Seal Principle and Application in Electric Tools

Jiang Xiaojun1Wang Junhao2
(Zhejiang Dongchuan Electric Appliance Co.,Ltd., Wuyi 321200, China Zhejiang Yongkang Shizhu Electric Appliance Factory, Yongkang 321301, China)

Introduces two basic structures of Helix seal, working principle, the calculation and design method of sealing liquid capacity, and gets the condition of the helix seal without leakage. Through experiments validate the importance of rotation, and provide experience for the application of helix seal.

Helix seal Pump flow Leakage flow

TM08

A

1674-2796（2014）03-0014-03

2014-04-03

姜肖軍（1974—），男，本科，工程師，主要從事電動(dòng)工具開發(fā)及管理工作。