陶瓷工廠常用液壓密封件的密封機(jī)理及其探討

蔡祖光

摘 要：本文介紹了陶瓷工廠常用液壓密封件的材質(zhì)及其構(gòu)造，詳細(xì)論述了陶瓷工廠常用液壓密封件的密封機(jī)理。

關(guān)鍵詞：液壓密封件；材質(zhì)；構(gòu)造；密封機(jī)理；探討

所以說(shuō)，式（3）就是常用液壓滑動(dòng)密封件密封機(jī)理的理論表達(dá)式。其實(shí)液壓滑動(dòng)密封件[如：○形橡膠密封圈、唇形密封圈（V形密封圈除外）及組合密封圏]安裝在密封溝槽中都是依其本身的彈性、塑性或彈塑性變形對(duì)密封表面產(chǎn)生較高的初始接觸應(yīng)力σr0阻止無(wú)壓力液體的泄漏。當(dāng)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作時(shí)，壓力液體擠壓并有效地?fù)伍_(kāi)其密封唇部，使之進(jìn)一步緊貼密封表面而產(chǎn)生較高的隨壓力液體的壓力增高而增高的附加接觸應(yīng)力σr1，結(jié)果附加接觸應(yīng)力σr1與初始接觸應(yīng)力σr0一起共同堵塞兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間的泄漏通道，阻止壓力液體的泄漏。這就是滑動(dòng)密封件的密封機(jī)理。

4.2 密封墊

密封墊主要用于法蘭連接液壓管路和螺紋連接液壓管路結(jié)合面之間的靜密封，在相互接觸的密封面之間放置密封墊，并通過(guò)螺紋連接件施壓的裝置稱(chēng)為密封墊密封。其密封機(jī)理就是螺紋連接件對(duì)密封表面（包括密封墊）的施壓，即密封墊的密封比壓（施壓密封作用力與密封表面的面積之比）大于壓力液體的壓強(qiáng)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力液體的密封。否則，就會(huì)產(chǎn)生泄漏。由于非金屬密封墊的物理機(jī)械強(qiáng)度較低，密封表面所承受的額定比壓（壓強(qiáng)）較低；而金屬密封墊的物理機(jī)械強(qiáng)度較高，密封表面所承受的額定比壓（壓強(qiáng)）較高。所以說(shuō)非金屬密封墊的密封壓力較低，僅用于無(wú)壓力液體和低壓液體的密封；金屬-非金屬密封墊的密封壓力較高，常用于中高壓液體的密封；金屬密封墊的密封壓力最高，常用于高壓及超高壓液體的密封，這正是目前超高壓水射流切割機(jī)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)（壓力高達(dá)400MPa）所用的密封墊幾乎都是金屬密封墊的主要原因。

4.3 填料密封件

常用的填料密封件（俗稱(chēng)盤(pán)根），就是將具有柔軟性的盤(pán)根裝入填料腔后，通過(guò)壓蓋的軸向壓緊作用，由于盤(pán)根的柔軟性，迫使盤(pán)根徑向延展變形并對(duì)密封表面（圓柱軸表面）產(chǎn)生接觸應(yīng)力，形成密封作用。與此同時(shí)，盤(pán)根中浸漬的潤(rùn)滑劑被迫擠出，并在密封接觸面之間形成潤(rùn)滑油膜?？紤]到盤(pán)根與圓柱軸表面的接觸狀態(tài)并不是均勻一致的，因此，盤(pán)根與圓柱軸的接觸部位僅形成“邊界潤(rùn)滑”狀態(tài)，類(lèi)似于滑動(dòng)軸承工作時(shí)形成“邊界潤(rùn)滑”的狀態(tài)，俗稱(chēng)“軸承效應(yīng)”；而未接觸的凹形部位則形成小油槽，并儲(chǔ)存較厚的油膜，因此，盤(pán)根與圓柱軸的接觸部位與非接觸部位就組成了許多不規(guī)則的迷宮（俗稱(chēng)“迷宮效應(yīng)”），從而阻止壓力液體的泄漏。這就是填料密封件的密封機(jī)理。

顯然，填料密封件欲獲得良好的密封作用，須同時(shí)維持良好的“軸承效應(yīng)”和“迷宮效應(yīng)”。也就是說(shuō)，欲獲得良好的密封作用，須維持填料密封件良好的潤(rùn)滑和適宜的壓緊作用。若潤(rùn)滑不良，或?qū)μ盍厦芊饧旱眠^(guò)緊都會(huì)中斷密封接觸表面（圓柱軸表面）的潤(rùn)滑油膜，造成填料密封件與軸之間處于干摩擦或半干摩擦狀態(tài)，最終導(dǎo)致填料密封件的嚴(yán)重磨損而泄漏，甚至燒軸等，在實(shí)踐生產(chǎn)中也是屢見(jiàn)不鮮的。因此，需要經(jīng)常對(duì)填料密封件的壓緊程度進(jìn)行調(diào)整，以便填料密封件中的潤(rùn)滑劑（浸漬劑）運(yùn)行一段時(shí)間流失后，再擠出一些潤(rùn)滑劑，同時(shí)又能補(bǔ)償因體積變化所造成的壓緊力松馳等。顯然，填料密封件經(jīng)過(guò)多次擠壓后，最終將導(dǎo)致填料密封件中的潤(rùn)滑劑（浸漬劑）枯竭，所以說(shuō)須定期更換填料密封件是非常重要的。

值得注意的是為了維持填料密封件密封所需的潤(rùn)滑油膜（液膜）和帶走摩擦熱及冷卻相關(guān)零部件等，有意使填料密封件密封處少量的泄漏存在也是非常重要的。因此，目前填料密封件通常只用于低壓低速的往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封和回轉(zhuǎn)密封等工況。

4.4 靜密封和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用擠壓密封件

（1） 靜密封用擠壓密封件

目前，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中靜密封使用最廣泛的擠壓密封件主要是○形橡膠密封圈和○形空心金屬密封圈。其密封機(jī)理與滑動(dòng)密封用○形橡膠密封圈的密封機(jī)理一樣，但靜密封用○形橡膠密封圈的壓縮變形取得更大一些，因此，從式（3）可知，如果○形橡膠密封圈及其密封溝槽的設(shè)計(jì)制造以及材質(zhì)選用適當(dāng)?shù)脑?huà)，那么○形橡膠密封圈在靜密封中可以實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏的絕對(duì)密封。所以說(shuō)，○形橡膠密封圈可應(yīng)用于真空、低壓、中壓和高壓等靜密封狀態(tài)，甚至超高壓的靜密封狀態(tài)。由此可見(jiàn)，○形橡膠密封圈是目前液壓機(jī)械設(shè)備中廣泛應(yīng)用的靜密封元件，通常液壓系統(tǒng)的工作壓力<32MPa時(shí)，○形橡膠密封圈都能實(shí)現(xiàn)真空、低壓、中壓和高壓等狀態(tài)的無(wú)泄漏靜密封。但當(dāng)工作壓力≥32MPa，甚至高達(dá)400 MPa時(shí)，為了避免○形橡膠密封圈的一部分被迫擠入密封間隙（如圖11所示） 中去造成損傷等影響其密封效果，須在高壓側(cè)設(shè)置一合成樹(shù)脂擋圈（截面為矩形，如圖12所示），如：尼龍擋圈、聚甲醛擋圈和填充聚 四氟乙烯擋圈等。同時(shí)，為了便于合成樹(shù)脂擋圈裝入密封槽及便于○形橡膠密封圈的均勻受壓變形等，擋圈需在徑向方向切割有與半徑方向成30～45°的斜槽，且槽寬t為1～2mm（如圖13所示）。

由式（3）可知，由于○形空心金屬密封圈金屬材料的極限比壓及物理機(jī)械強(qiáng)度比非金屬材料（如：橡膠、合成樹(shù)脂等）大很多，因此，在相同的條件下，與○形橡膠密封圈相比，○形空心金屬密封圈對(duì)密封表面產(chǎn)生更大的表面接觸應(yīng)力，堵塞兩相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間的泄漏通道，達(dá)到阻止無(wú)壓力液體或壓力液體泄漏的作用。所以說(shuō)，○形空心金屬密封圈適用于高溫、高壓、高真空度和低溫等環(huán)境工況條件下的靜密封，通?？捎糜谥睆竭_(dá)600 mm，壓力高達(dá)400MPa，溫度為-250～+600℃的工況。

（2） 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用擠壓密封件

回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用擠壓密封件主要是指液壓傳動(dòng)系統(tǒng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用○形橡膠密封圈。機(jī)械傳動(dòng)所形成的旋轉(zhuǎn)（回轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)通常是采用油封和機(jī)械密封，但油封的使用壓力較低，而且設(shè)計(jì)制造比○形橡膠密封圈復(fù)雜得多，生產(chǎn)成本高，目前，油封僅適用于防止軸承室中的潤(rùn)滑油向外界的泄漏和（或）防止外界雨水、雪粒、固體塵埃顆粒等侵入軸承室而危害軸承的正常工作等。機(jī)械密封雖然可用于高壓（40MPa）、高速（線速度達(dá)50m/s）及高溫（400℃），但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜體積龐大，而且生產(chǎn)成本非常高，僅適用于石油、化工等重型機(jī)械設(shè)備的回轉(zhuǎn)密封。因此，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通常采用○形橡膠密封圈進(jìn)行密封。endprint

總的來(lái)說(shuō)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用○形橡膠密封圈的密封機(jī)理與滑動(dòng)密封用○形橡膠密封圈的密封機(jī)理一樣。但回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用○形橡膠密封圈的壓縮變形取得更小一些，這是因?yàn)橄鹉z材料的特殊反常性能——焦耳效應(yīng)的作用，即在拉伸應(yīng)力的狀態(tài)下，若旋轉(zhuǎn)軸與○形橡膠密封圈之間因摩擦發(fā)熱，那么○形橡膠密封圈將會(huì)急劇地收縮。因此，設(shè)計(jì)計(jì)算回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用○形橡膠密封圈時(shí)，關(guān)鍵在于根據(jù)橡膠的性能來(lái)合理地選用○形橡膠密封圈的結(jié)構(gòu)參數(shù)——拉伸量（周向）和壓縮率（徑向）。通常需按○形橡膠密封圈的內(nèi)徑選取旋轉(zhuǎn)軸的軸頸尺寸，然后再按○形橡膠密封圈外徑的壓縮量為○形橡膠密封圈截面尺寸的4%～5%來(lái)選取其相配合的密封溝槽的徑向尺寸及其制造公差等級(jí)。同時(shí)，盡可能地采用受熱量影響小的特種合成橡膠材料（如：氟橡膠和硅橡膠等）制作回轉(zhuǎn)密封用○形橡膠密封圈，并充分考慮○形橡膠密封圈安裝處的通風(fēng)冷卻散熱等作用。只有這樣，旋轉(zhuǎn)軸工作時(shí)，○形橡膠密封圈因受熱收縮正好抱緊旋轉(zhuǎn)軸而達(dá)到回轉(zhuǎn)密封的作用，從而阻止無(wú)壓力液體或壓力液體的泄漏。

4.5 V形密封圈

常用的V形密封圈就是V形夾織物橡膠密封圈，可用于油缸的密封（孔密封）和柱塞的密封（桿密封），其密封機(jī)理一樣。V形夾織物橡膠密封圈通常由支承環(huán)、密封環(huán)和壓緊環(huán)三部分組成，在自由狀態(tài)下，V形夾織物橡膠密封環(huán)的唇部外徑大于所需密封油缸的內(nèi)徑（如圖14所示），其唇部?jī)?nèi)徑小于密封件安裝溝槽的直徑。因此，V形夾織物橡膠密封圈裝入密封件溝槽后就會(huì)產(chǎn)生一定的變形。考慮到壓緊環(huán)和支承環(huán)的作用，這種變形僅出現(xiàn)在密封唇部的尖端，并在接觸部位產(chǎn)生較大的表面接觸應(yīng)力。即使不施加壓緊力，密封唇部也能緊密地貼緊其密封表面，阻止無(wú)壓力液體或壓力液體的泄漏。同時(shí)，V形夾織物橡膠密封圈與唇形密封件一樣，當(dāng)壓力液體的工作壓力升高時(shí)，壓力液體擠壓其密封唇部，促使密封唇部與密封表面貼合得更緊密，實(shí)現(xiàn)更加可靠的密封。這就是V形夾織物橡膠密封圈的自密封作用，這也是 V形夾織物橡膠密封圈通常被看作是唇形密封件的主要原因。

當(dāng)液體壓力很高時(shí)，可將多個(gè)V形夾織物橡膠密封環(huán)疊加使用，通過(guò)壓緊環(huán)的作用，迫使多個(gè)V形夾織物橡膠密封環(huán)的密封唇部始終最大限度地貼緊密封表面而實(shí)現(xiàn)密封作用，壓緊力可根據(jù)介質(zhì)壓力進(jìn)行調(diào)整。即使有介質(zhì)泄漏并且通過(guò)第1道密封環(huán)時(shí)，其壓力將降低很多，通過(guò)第2道密封環(huán)的唇部時(shí)，其壓力再一次降低，如此多次作用后，其泄漏的介質(zhì)壓力近似等于零，值至最后泄漏被阻止。所以說(shuō)，V形夾織物橡膠密封圈的密封機(jī)理就是唇部的自密封作用和填料密封的共同作用的結(jié)果。因此，與填料密封件一樣，V形夾織物橡膠密封圈的摩擦阻力較大并隨工作壓力的增大和密封環(huán)數(shù)目（通常為3～5）的增多而增大，所以說(shuō)，V形夾織物橡膠密封圈常用于中壓（≥10MPa）、高壓（<63MPa）液壓傳動(dòng)系統(tǒng)采用，但其相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度通常較低。

值得注意的是，支承環(huán)和壓緊環(huán)與密封表面之間有間隙，為了保持液壓油缸的運(yùn)動(dòng)精度，對(duì)支承環(huán)和壓緊環(huán)的設(shè)計(jì)制造精度要求高。因此，支承環(huán)和壓緊環(huán)可采用夾織物橡膠或合成樹(shù)脂（如： 尼龍、聚甲醛和填充聚四氟乙烯等）等材料制造，但通常采用錫青銅質(zhì)支承環(huán)和壓緊環(huán)時(shí)，其密封效果更好一些。

4.6 防塵密封件

目前，液壓缸活塞桿常用防塵圈有A型防塵圈、B型防塵圈（俗稱(chēng)金屬骨架防塵圈，外圏為金屬骨架）、C型防塵圈（也稱(chēng)雙唇防塵圈）和TZF型組合防塵圈（也稱(chēng)雙唇組合防塵圈）。液壓馬達(dá)等旋轉(zhuǎn)軸常用油封有B型（內(nèi)包骨架型）油封、W型（外露骨架型）油封、Z型（裝配型）油封、FB型（帶副唇內(nèi)包骨架型）油封、FW型（帶副唇外露骨架型）油封和FZ型（帶副唇裝配型）油封。它們通常是由彈性良好的橡膠材料制造的，并且油封的密封唇部還有彈簧等外力的輔助作用，其密封機(jī)理與唇形密封件一樣，安裝在密封溝槽內(nèi)，因設(shè)計(jì)要求和制造誤差等形成的過(guò)盈量迫使防塵圈產(chǎn)生變形促使防塵密封唇部始終貼緊密封表面，并對(duì)密封表面產(chǎn)生適宜的初始接觸應(yīng)力，阻止外界雜質(zhì)（如：雨水、水蒸氣、酸霧、冰雪和粉塵等塵埃顆粒）侵入液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中去。

值得注意的是，某些低壓液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)通常采用價(jià)格低廉的毛氈防塵圈（方形或梯形），方形或梯形的毛氈防塵圈浸漬液壓油后再安裝在密封溝槽后因過(guò)盈量迫使它們產(chǎn)生變形促使方形或梯形毛氈防塵圈始終貼緊密封表面，并對(duì)密封表面產(chǎn)生適宜的初始接觸應(yīng)力，阻止外界雜質(zhì)（如：雨水、水蒸氣、酸霧、冰雪和粉塵等塵埃顆粒）侵入某些低壓液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)中去。顯然，其密封機(jī)理等同于填料密封件的密封機(jī)理，但其防塵能力與接觸的緊密程度有關(guān)，接觸壓緊得越緊密，防塵能力越好，但摩擦阻力也較大。

5 液壓密封件的探討

（1） 通過(guò)選用液壓密封件在安裝溝槽中的適宜過(guò)盈量，確保液壓密封件始終貼緊密封表面，提高其密封性能。

陶瓷工廠生產(chǎn)設(shè)備常用液壓密封件，無(wú)論是用作靜密封件、滑動(dòng)密封件還是回轉(zhuǎn)密封件，液壓密封件安裝在密封溝槽內(nèi)，都應(yīng)過(guò)盈而產(chǎn)生變形促使密封唇部對(duì)密封表面產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)常用液壓密封件的靜密封作用。因此，實(shí)踐生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)所選用液壓密封件的結(jié)構(gòu)形式、規(guī)格尺寸、使用環(huán)境條件及其推薦的密封溝槽的規(guī)格尺寸，選擇適宜尺寸精度的密封溝槽，確保液壓密封件安裝后，因過(guò)盈而產(chǎn)生變形，即： ▽B<0和▽D≤0。也就是說(shuō)，設(shè)計(jì)選用液壓密封件的密封溝槽尺寸時(shí)，應(yīng)使液壓密封件在徑向產(chǎn)生適宜的壓縮變形（▽B<0）以及在周向（圓周方向）也產(chǎn)生微小的壓縮變形（▽D≤0），結(jié)果增加其徑向尺寸的壓縮率，由式（3）可知，液壓密封件可獲得對(duì)密封表面產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，增強(qiáng)了液壓密封件的密封作用。否則，如果液壓密封件在周向（圓周方向）產(chǎn)生微量拉伸時(shí)（▽D>0），反而降低了其徑向尺寸的壓縮率，那么液壓密封件對(duì)密封表面產(chǎn)生的接觸應(yīng)力較小，減弱了液壓密封件的密封作用。所以說(shuō)，為了提高液壓密封件的密封作用，設(shè)計(jì)制造其密封溝槽時(shí)，通常選用在周向（圓周方向）產(chǎn)生微小的壓縮變形（▽D≤0）的液壓密封件，盡量避免選用在周向（圓周方向）產(chǎn)生微小的拉伸變形（▽D>0）的液壓密封件，并選用適宜的徑向過(guò)盈量，能大幅度地提高液壓密封件的密封性能。endprint