高壓PTFE復合材料往復運動密封

王文東 孟翠平 單 旸

(1.上海材料研究所, 上海200437;2.上海市工程材料應用評價重點實驗室，上海200437;3.河北師范大學，石家莊050016)

0 前言

隨著科技的不斷進步，液壓傳動技術突飛猛進的發(fā)展，液壓傳動技術在各個領域的應用日趨廣泛，液壓壓力等級日益提高，通常工程應用中液壓壓力在35MPa以下，高壓系統(tǒng)壓力分別為50～100 MPa，100～250 MPa，有的甚至高達600 MPa，如：核容器用超高壓螺栓拉伸機液壓系統(tǒng)壓力大于70 MPa，液壓破拆機具系統(tǒng)壓力60～80 MPa，金屬擠壓系統(tǒng)壓力約100 MPa ，水射流系統(tǒng)壓力為150～250 MPa ，石油鉆井井下增壓器系統(tǒng)壓力為150 MPa。高壓液壓技術對密封要求極為嚴格，在高壓下聚四氟乙烯等高分子材料易于塑性變形，當壓力在50 MPa以下時，高分子復合材料可以使用，當壓力高于100 MPa時，采用聚四氟乙烯等高分子材料作為密封必須采用與硬質(zhì)材料組合的方式，滿足高壓密封的需要。

聚四氟乙烯(PTFE)具有化學穩(wěn)定性、耐高低溫性能、摩擦系數(shù)低、自潤滑性等優(yōu)良性能, 因而它在各行各業(yè)中得到了廣應用。聚四氟乙烯具有許多優(yōu)異的性能，但也有不足之處，因而需通過加入填充劑形成復合材料，性能得到改善，其耐磨性能大幅度提高，抵御塑性蠕變的能力提高2～3倍，由負荷作用引起的初始變形降低30%～60%，剛性提高2～3倍，受熱尺寸穩(wěn)定性增加2倍，硬度增大10%～15%。不同填充劑可以賦予復合材料不同的性能。聚四氟乙烯及其復合材料的性能見表1。根據(jù)工況選擇合適的聚四氟乙烯復合材料，提高密封的抗壓性能。本文針高壓往復運動密封的幾何形狀及其PTFE復合材料做了簡單闡述。

表1 填充聚四氟乙烯摩擦性能

聚四氟乙烯復合材料經(jīng)過機械加工制成各種形狀，再與適當?shù)膹椥泽w或金屬彈簧組合形成組合密封件，并且配合抗高壓承壓環(huán)、壓緊環(huán)的使用，進一步提高組合密封的抗壓性能。聚四氟乙烯復合材料及彈性體或金屬彈簧的幾何形狀尺寸對往復運動密封的抗壓性能具有較大影響，對聚四氟乙烯復合材料密封幾何形狀尺寸進行優(yōu)化、合理設計，滿足高壓復運動密封的各種工況要求。

1 高壓往復運動密封用PTFE復合材料

聚四氟乙烯的常用填充劑為：錫青銅粉、石墨、二硫化鉬、玻璃纖維、碳纖維、聚苯酯等，通過填充改性后的聚四氟乙烯復合材料的抗壓性能有所不同，相對而言，純聚四氟乙烯抗壓強度較低；聚四氟乙烯填充石墨后，其抗壓強度較低；聚四氟乙烯填充聚苯酯后，其抗壓強度略大于純聚四氟乙烯；聚四氟乙烯填充碳纖維后，其抗壓強度略大于聚四氟乙烯填充聚苯酯；聚四氟乙烯填充銅粉后，其抗壓強度較大。根據(jù)工況條件選擇合適的聚四氟乙烯復合材料，同時考慮抗壓性能與摩擦磨損性能的平衡。

聚四氟乙烯復合材料的配方可以采用填充劑并用，如：聚四氟乙烯、銅粉、二硫化鉬/石墨、碳纖維并用；聚四氟乙烯、玻璃纖維、二硫化鉬/石墨并用；聚四氟乙烯、聚苯酯、二硫化鉬/石墨、碳纖維并用。通過多元共混，采用不同比例的固體潤滑劑-二硫化鉬或石墨，兼顧聚四氟乙烯復合材料抗壓性能與摩擦磨損性能，提高聚四氟乙烯復合材料密封的工作壽命。聚四氟乙烯及其復合材料的性能見表1和表2。

表2 填充聚四氟乙烯材料性能

注：配方01：純PTFE；02： PTFE+40%青銅粉+5%MoS2；03： PTFE+60%青銅粉+5%MoS2；04： PTFE+20%碳纖維；05： PTFE+20%玻璃纖維+5%石墨；06：PTFE+25%玻璃纖維；07：PTFE+20%玻璃纖維；08： PTFE+15%石墨；09：PTFE+20%聚苯酯+5%MoS2。

3 高壓往復運動密PTFE密封幾何形狀

3.1 常用中高壓復運動PTFE密封幾何形狀

常用中高壓雙向往復運動PTFE密封斷面幾何形狀為矩形，具體參見圖1中的圖1.1，運動時其接觸面積最大，抗壓性能良好，高壓時液壓壓力與O型圈的壓縮變形力共同形成密封力。常用中高壓單向往復運動PTFE密封斷面幾何形狀為階梯形，具體參見圖1中的圖1.2，密封斷面為非對稱密封形狀，在背壓側形成6°～8°緩斜面，在有介質(zhì)壓力側形成較窄的55°～60°陡斜面，這種錐形面可以導致形成所需的密封接觸應力分布，介質(zhì)壓力越高，形成的密封接觸應力峰值越大，壓力變化時密封姿態(tài)自動調(diào)整、密封的跟隨性能好、并且具有介質(zhì)的泵回能力，這樣高壓密封效果好，針對液壓密封系統(tǒng)而言，低壓回油性能好，潤滑油膜的厚度較小，泄漏量很小，摩擦阻力小。這類常用中高壓雙向往復運動PTFE密封可承受35 MPa以下的壓力。

3.2 高壓雙向往復運動PTFE密封幾何形狀

高壓雙向往復運動PTFE密封斷面幾何形狀為矩形及其變體，具體參見圖2。其中圖2.1密封斷面為帶斜面的矩形，在凸形彈性體的兩側有矩形承壓環(huán)，運動時其接觸面積較大，可承受40～60 MPa壓力；圖2.2密封斷面為帶凹槽的的矩形，在運動的接觸表面加開了一個儲油槽，在凸形彈性體的兩側有L形承壓環(huán)，運動時其承受側向載荷能力好，摩擦阻力小，可承受40～60 MPa壓力；圖2.3密封斷面為帶斜面的矩形，在帶梯形底腳的凸形彈性體的兩側有凹形承壓環(huán)，運動時其承受側向載荷能力好，防止軸向竄動，高低壓密封性能好，可承受40～60 MPa壓力；其中圖2.4密封斷面為帶斜面的矩形，在帶梯形底腳的凸形彈性體的兩側有異形承壓環(huán)，運動時其接觸面積較大，可承受50～70 MPa壓力。

圖1 常用往復運動PTFE組合密封斷面示意圖

3.3 高壓單向往復運動PTFE密封幾何形狀

常用高壓單向往復運動PTFE密封斷面幾何形狀參見圖3。圖3.1 PTFE密封斷面為三角形，密封表面帶儲油槽，由于油槽中的儲存的油液的潤滑作用，摩擦阻力較低，可以密封30～100 MPa壓力。圖3.2 PTFE密封斷面為齒形，密封表面帶儲油槽，由于油槽中的儲存的油液的潤滑作用，摩擦阻力降低，同時密封的兩個小接觸面可形成密封雙峰值應力分布，可以密封30～70MPa壓力。圖3.3PTFE密封斷面為L型，密封接觸面寬，其高壓性能好，單件可以密封30～60MPa壓力，圖3.5所示3組串聯(lián)，并用高壓承壓環(huán)，可以密封60～150 MPa壓力。圖3.4密封斷面U型，材質(zhì)為PTFE復合材料，匹配橡膠O型圈，在介質(zhì)的壓力作用下，O型圈的變形性能好，密封隨動性能好，摩擦阻力較小，高低壓性能好，合理設計密封幾何尺寸，可以密封30～200MPa壓力。

圖3 高壓單向往復運動PTFE組合密封斷面示意圖

3.4 高壓往復運動PTFE金屬彈簧蓄能密封幾何形狀

高壓往復運動PTFE金屬彈簧蓄能密封幾何形狀具體參見圖4。圖4.1密封斷面為薄壁U型，匹配V型不銹鋼彈簧，密封與摩擦對偶件的接觸表面為PTFE復合材料，摩擦阻力小，密封與摩擦對偶件的接觸面積小，并且V型不銹鋼彈簧對PTFE復合材料密封唇口的彈性補償力可形成合理的壓應力分布曲線和密封峰值應力，高低壓密封性能良好，可以密封20～60 MPa壓力。圖4.2密封斷面為薄壁U型，匹配V型不銹鋼彈簧，它與圖4.1所示密封斷面的區(qū)別為：V型不銹鋼彈簧唇口傾斜角度不同，圖4.1中V型不銹鋼彈簧唇口向內(nèi)徑方向傾斜，圖4.2中V型不銹鋼彈簧唇口向外徑方向傾斜，它不易造成應力損傷PTFE復合材料，適宜于高低溫密封，可以適用于-250～260 ℃?？梢悦芊?5～60 MPa壓力。圖4.3密封斷面為U型，匹配V型不銹鋼彈簧，U型密封的背壓側帶有兩個可以滑移的三角形高壓承壓環(huán)，防止聚四氟乙烯復合材料高壓擠出，可以密封100～200 MPa壓力。圖4.4密封斷面為厚壁U型，匹配V型不銹鋼彈簧，并且在密封的內(nèi)外緣的工作面上附有梯形凹槽，在介質(zhì)的壓力作用下，可以形成若干個峰值應力，可以密封最高100 MPa的高壓。圖4.5密封斷面為薄壁雙U型，匹配兩個V型不銹鋼彈簧，在密封的內(nèi)外工作面形成有效的密封，可以密封20～60 MPa壓力。圖4.6為2組圖4.4密封串聯(lián)，其中一個帶有凸形壓緊環(huán)，在介質(zhì)的壓力作用下，第一道密封實現(xiàn)初始密封，進而推動壓緊環(huán)，迫使第二道密封唇口緊貼工作面，介質(zhì)壓力越高，密封峰值應力越大，實現(xiàn)高壓密封，可以密封最高200 MPa的高壓。

圖4 高壓往復運動PTFE金屬彈簧蓄能密封斷面示意圖

3.5 高壓V形往復運動PTFE密封

V形組合密封是一種常用的往復運動密封，它由壓環(huán)、支承環(huán)和V形密封圈組成。壓環(huán)和支承環(huán)的材料為：銅合金、橡膠夾布、聚四氟乙烯、聚醚醚酮等硬質(zhì)材料；V形密封圈材料為：丁腈橡膠、氯丁橡膠、氟橡膠、聚四氟乙烯及橡膠夾布等，V形密封圈可以采用幾種材料交替組合。密封斷面幾何形狀參見圖5，其密封斷面均為V形。其中圖5.1V形密封采用純橡膠密封圈與橡膠夾布密封圈交替組合，結構為：布-膠-布-膠;圖5.2V形密封采用純橡膠密封圈、橡膠夾布密封與聚四氟乙烯復合材料密封圈交替組合，結構為：布-膠-PTFE-布-膠。圖5.3為扁平V形密封，帶有錐形壓緊環(huán)，壓緊環(huán)采用鈹青銅，調(diào)整V形密封數(shù)量，可以達到1000MPa的超高壓動密封效果。圖5.4為2組V形密封串聯(lián)，據(jù)工況條件，合理選擇V形組合密封中密封環(huán)的匹配結構和數(shù)量，可以即調(diào)節(jié)整套V形組合密封的摩擦阻力，又承受高壓載荷，通過合理匹配壓環(huán)、支承環(huán)、高壓承壓隔環(huán)的材料，如：聚醚醚酮、鈹青銅等，可以達到100～600 MPa的超高壓動密封效果。

圖5 高壓V形往復運動PTFE組合密封斷面示意圖

4 高壓往復運動PTFE密封匹配的承壓環(huán)材料

提高往復運動PTFE密封的耐壓性能，一方面取決于密封材料和密封的幾何形狀，另一方面取決于不同材料的組合形式，承壓環(huán)材料對于往復運動PTFE密封高壓性能起著至關重要的作用。

承壓環(huán)材料采用硬質(zhì)材料，硬質(zhì)塑料為：聚酰胺(尼龍)、聚甲醛、聚醚醚酮，金屬材料：銅合金-錫青銅、鋁青銅、鈹青銅，其他合金。MC尼龍6由于其分子量高于普通尼龍6，結晶度高，所以MC尼龍6機械強度高，抗壓性能優(yōu)良。聚甲醛是一種沒有支鏈的高結晶度線形聚合物，其物理機械性能良好。MC尼龍6與聚甲醛只能用于100 ℃以下的常溫條件，100 ℃其抗壓強度小于20 MPa，在高溫條件下，應選用聚醚醚酮。聚醚醚酮高分子主鏈為含有苯環(huán)的線性結構，結晶度高，其物理機械性能優(yōu)異，玻璃纖維或者碳纖維增強聚醚醚酮在100 ℃時抗壓強度大于150 MPa。

表3 常用承壓環(huán)材料性能

注：錫青銅、鋁青銅、鈹青銅牌號很多，屈服強度取較小的數(shù)值。

在具有一定間隙的模具中進行抗壓強度測試時，MC尼龍和聚醚醚酮的抗壓強度均可達到280 MPa以上。

在高壓系統(tǒng)中，合理控制間隙，采用銅合金材料作為承壓環(huán)，組合密封的承壓可以達到600 MPa。

5 結束語

高壓往復運動密封采用PTFE復合材料，充分發(fā)揮PTFE摩擦系數(shù)低和自潤滑的性能，采用不同的填充劑制備各種配方的PTFE復合材料，其摩擦磨損性能和抗壓性能可控可調(diào)，設計合理PTFE復合材料密封幾何形狀，匹配各種異型的橡膠彈性體或金屬彈簧、承壓環(huán)，組合形成高壓PTFE復合材料往復運動密封，確保高壓密封性能，廣泛應用于各類高壓、超高壓系統(tǒng)中，滿足核電、冶金、石油化工、船舶等行業(yè)特殊工況的需要。

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