高壓氣體旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用

商宏鐘

摘要：針對紅外光電系統(tǒng)出現(xiàn)的由高壓氣體旋轉(zhuǎn)密封導(dǎo)致的漏氣問題，根據(jù)車氏密封原理對旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計，實現(xiàn)了在高速轉(zhuǎn)動下高壓氣體的無油潤滑旋轉(zhuǎn)密封。經(jīng)過一系列試驗及應(yīng)用證明，該結(jié)構(gòu)在可靠性、環(huán)境適應(yīng)性上均滿足相關(guān)要求，滿足實際應(yīng)用需要。

關(guān)鍵詞：紅外光電系統(tǒng)；高壓氣體；旋轉(zhuǎn)密封；無油潤滑；車氏密封

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）02-0035-03

0、引言

某型紅外光電探測器采用了湯焦式致冷器，其工作氣體為15 MPa的氮氣。由于探測器置于旋轉(zhuǎn)平臺上，因此必須通過旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)將高壓氣體從氣源裝置送至探測器。為了避免湯焦式致冷器的堵死，要求氣源純凈，不能含油，不能有大于5 μm的雜質(zhì)出現(xiàn)，因此該旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)不能使用潤滑油，旋轉(zhuǎn)磨損中不能有雜質(zhì)進入氣路。平臺旋轉(zhuǎn)速度最高可達180 rpm，壽命要求在80萬轉(zhuǎn)以上，結(jié)構(gòu)能經(jīng)受加壓反復(fù)沖擊3000次以上不漏氣。為了避免影響控制回路，要求旋轉(zhuǎn)摩擦力矩小于800 gf·em，產(chǎn)品應(yīng)能在高低溫（-45～70℃）和振動環(huán)境下正常工作，結(jié)構(gòu)設(shè)計還應(yīng)符合產(chǎn)品小型化的要求，因此密封要求比較嚴格。

1、方案的選取

1.1 前期方案選型

在產(chǎn)品研制初期，采用了錐面密封的導(dǎo)氣環(huán)結(jié)構(gòu)，通過后端面加壓使導(dǎo)氣環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸的錐面緊密接觸實現(xiàn)密封，該結(jié)構(gòu)簡潔且在常溫下工作良好，但在低溫環(huán)境下由于材料冷縮導(dǎo)致壓力出現(xiàn)波動，在沖擊加氣試驗中出現(xiàn)偶發(fā)的大流量漏氣現(xiàn)象，不能保證產(chǎn)品的可靠性。

隨后試驗了雙O型圈柱面密封和格萊圈（O型圈加PTFE擋圈）密封兩種結(jié)構(gòu)，試驗證明其密封性能尤其是在低溫下的動密封不能經(jīng)受長時運動的考驗，而且摩擦力較大，不能滿足系統(tǒng)要求。

這些試用結(jié)構(gòu)形式在其他場合雖有成熟應(yīng)用，但因為高壓、低溫及長期磨損的原因，使得結(jié)構(gòu)密封失效，中間試圖通過改進材料低溫l生能，并提高加工及配合精度來改善，但沒能徹底解決問題。

1.2 車氏密封方案

格萊圈結(jié)構(gòu)的試驗證明使用柱面的密封其低溫穩(wěn)定性比端面密封要好，但是格萊圈的磨擦力矩大，磨損速率較高，而車氏密封方案彌補了它的一些缺點。車氏密封是一種帶有薄唇結(jié)構(gòu)的滑環(huán)式組合密封，考慮摩擦力因素，選擇了其中的齒形滑環(huán)式組合密封形式，如圖1所示。

齒形滑環(huán)與軸緊密接觸，當氣壓施加到結(jié)構(gòu)中時，O型密封圈受壓變形使唇部更緊壓于密封表面，氣體壓力越大其抱軸配合越緊。由于唇部為齒形結(jié)構(gòu)，故與主軸密封接觸面窄，摩擦力小，符合工作要求。此外長期工作后出現(xiàn)磨損，也因唇部剛性小而易被O型密封圈的彈力自動補償，從而實現(xiàn)長期工作無漏氣的目的。

在低溫工作條件下由于整個滑環(huán)結(jié)構(gòu)比較薄，因此在低溫冷縮量很小，對0型圈的低溫性能要求大大降低。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計

在市場上可以選購一些車氏密封件，但是其尺寸超出太大，不能滿足空間要求，因此需自行設(shè)計相關(guān)結(jié)構(gòu)。一般來說高壓密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計需嚴格遵循相關(guān)設(shè)計規(guī)范，雖然多本機械和密封參考書上均提到了車氏密封，但是它的設(shè)計規(guī)范缺少詳細描述，因此需根據(jù)原理自行設(shè)計，產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在前期方案實施中，滑環(huán)所需改性的PTFE材料已由廠家研制成功，其耐磨性已達到研制要求，因此對密封部分較為關(guān)鍵的是滑環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)配合尺寸設(shè)計。

2.1 滑環(huán)設(shè)計

滑環(huán)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

薄唇厚度過厚影響彈性變形，不利于在O型圈作用下壓緊小軸實現(xiàn)密封，過薄則加工困難。密封所需要的抱緊力來源于兩個方面：一方面來源于滑環(huán)內(nèi)孔與軸的過盈：另一方面來自O(shè)型圈壓縮帶來的壓緊力。內(nèi)孔與轉(zhuǎn)軸的過盈產(chǎn)生對轉(zhuǎn)軸的抱緊力，此應(yīng)力有助于實現(xiàn)密封，尤其是在氣體壓力輸入建立起始階段。過盈配合使內(nèi)孔產(chǎn)生彈性變形，此彈性變形有助于內(nèi)孔磨損后自動補償，對增加動密封壽命有益。

過盈量過小則抱緊力小，對密封所需抱緊力的貢獻減小，同時彈性變形量過小會影響壽命；過盈量過大抱緊力增大，但其塑性變形加劇，同樣會造成彈性變形量減小，嚴重時甚至會超出材料拉伸極限而斷裂，造成密封失效。

從廠家提供的材料拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線（圖4）可見，拐點約在9 MPa，對應(yīng)應(yīng)變約為4%，拉斷伸長率約為46%。過盈量超過拐點（約4%）之后，應(yīng)力（抱緊力）增大緩慢，而塑性變形急劇增加，應(yīng)變超過46%則可能斷裂。

從前面分析可知，如果想兼顧抱緊力和彈性變形，最好將過盈量選擇在拐點之后并遠離拉伸極限，即最小過盈量宜選擇不低于4%。最大過盈量的選擇首先必須保證遠小于拉伸極限，避免滑環(huán)斷裂損傷，其次應(yīng)盡量避免導(dǎo)氣環(huán)跟隨轉(zhuǎn)動造成磨損，最后還需考慮安裝的工藝性，避免安裝時損壞。經(jīng)過綜合考慮，選擇了過盈量在4%～14%。

2.2 O型圈壓縮率設(shè)計

旋轉(zhuǎn)動密封必然存在磨損，設(shè)計期望的磨損發(fā)生在轉(zhuǎn)軸與滑環(huán)之間。隨著磨損加劇，產(chǎn)品將逐漸喪失密封功能。結(jié)構(gòu)中滑環(huán)的磨損靠兩部分補償：一部分是過盈帶來的彈性變形，另一部分是O型圈的彈性變形。O型圈壓緊力來源于初始壓縮率及供氣后氣壓的進一步擠壓變形。O型圈壓縮率過小則不足以提供足夠的壓緊力以及補償導(dǎo)氣環(huán)磨損，過大則裝配困難，有可能在裝配中損傷O型圈。此外過大的壓縮量也會使O型圈低溫硬化程度更嚴重，減小其在低溫的回彈力。

O型圈最小壓縮率選擇首先應(yīng)當保證初始密封應(yīng)力的需要，其次需要考慮磨損補償、高低溫、同軸度的影響。密封推薦壓縮率為8%～23%，考慮到本設(shè)計中的轉(zhuǎn)軸不同軸，影響比常用狀態(tài)惡劣，考慮0.2 mm的徑向跳動帶來的局部減小最大為0.1mm，對應(yīng)5.6%，因此最小壓縮率選擇不低于8%+5.6%=13.6%。考慮加工公差控制能力，最大壓縮率為25%，經(jīng)試驗，25%的壓縮率未出現(xiàn)安裝損傷，且通過-50℃、+65℃高低溫試驗正常。

2.3 其他設(shè)計

在壓力建立后，O型圈會被氣體壓縮緊固，但壓塊對O型圈的適當壓緊有助于實現(xiàn)壓力建立前的密封。對于裝配來說壓塊對O型圈平壓可以讓O型圈更好地與滑環(huán)及內(nèi)壁貼合，保證安裝到位。

O型圈對滑環(huán)提供密封彈力和補償作用，但本身不能參與動摩擦。設(shè)計選用厚度為2.65 mm的O型圈產(chǎn)品，其分模面選擇45°，這樣不僅可以放寬配合公差，而且可以加大其與內(nèi)壁及滑環(huán)的摩擦力，在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時避免讓O型圈產(chǎn)生滑動摩擦，提高產(chǎn)品可靠性。

為了實現(xiàn)產(chǎn)品耐磨的要求，還要注意轉(zhuǎn)軸與滑環(huán)接觸面的粗糙度，由于本設(shè)計中不使用潤滑油脂，因此粗糙度要比常規(guī)密封更小，結(jié)合實際加工水平，要求不超過0.4。由于O型圈不滑動，因此對于結(jié)構(gòu)內(nèi)壁的光潔度按普通要求即可。但O型圈裝入時會有較大摩擦阻力，操作有所不便，此時可將O型圈抹上適量純酒精用壓塊平穩(wěn)擠入。

從結(jié)構(gòu)上看，當轉(zhuǎn)軸與回轉(zhuǎn)中心軸不同軸時，O型圈受擠壓變形后仍然可以在一定范圍內(nèi)保持密封效果，但是顯然過大的不同軸度會導(dǎo)致密封失效。在本系統(tǒng)應(yīng)用中，轉(zhuǎn)軸在其他配合上進行軸向約束，因此在裝配或運動中可能會出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)軸繞轉(zhuǎn)情況時（如圖5），加速滑環(huán)的磨損，甚至導(dǎo)致密封直接失效。因此需在前端加裝導(dǎo)向環(huán)對轉(zhuǎn)軸進行良好的約束，保證其在安裝和運動時與旋轉(zhuǎn)中心軸同軸度?？紤]運動摩擦，導(dǎo)向環(huán)材料也選用耐磨且有自潤滑性能的改性PTFE材料。

3、試驗驗證

為了驗證設(shè)計，對實際產(chǎn)品進行了一系列的測試?？紤]實際加工及裝配精度的波動，在公差范圍內(nèi)，試驗考慮了各種尺寸、配合極限，使試驗?zāi)軌蚍从辰窈笊a(chǎn)線上產(chǎn)品的實際水平。

首先是安全強度測試，根據(jù)高壓管路安全規(guī)范按1.5倍額定壓力進行耐壓試驗，結(jié)構(gòu)在25MPa的條件下保壓3 min，其間還以180 rpm進行運動，產(chǎn)品沒有發(fā)生漏氣情況，在顯微鏡下觀察也沒有發(fā)現(xiàn)打壓后零件尤其是滑環(huán)出現(xiàn)損壞跡象。

密封結(jié)構(gòu)中O型圈及導(dǎo)氣環(huán)等非金屬材料對溫度敏感，因此需要進行高低溫性能校核，產(chǎn)品在-50～70℃下進行加氣試驗，包括反復(fù)突然加放氣、長時快速轉(zhuǎn)動等。高低溫箱內(nèi)外溫度差異較大，為了避免加氣時氣體對結(jié)構(gòu)的加熱（或致冷）影響，試驗時應(yīng)將氣源瓶放在高低溫箱內(nèi)，以達到真實測試的目的。由于低溫對結(jié)構(gòu)的影響最不利，因此在低溫進行了重點考核，其間還通過裝置測量其轉(zhuǎn)動摩擦力，達到控制系統(tǒng)的要求。經(jīng)過對多個產(chǎn)品三輪的測試，沒有出現(xiàn)一例密封失效情況。

按要求進行壽命試驗，控制產(chǎn)品在180 rpm轉(zhuǎn)速進行運動，同時施加15 MPa的氣壓，大約每10rain進行轉(zhuǎn)向的改變，如此循環(huán)進行，當測得的泄漏量超過0.2 L/min時（從電子流量計上觀察）即認為密封失效。經(jīng)過對5個產(chǎn)品實測，在轉(zhuǎn)動50萬轉(zhuǎn)后進行高低溫和高壓試驗（25 MPa），均沒有發(fā)現(xiàn)漏氣情況，隨后繼續(xù)進行試驗，轉(zhuǎn)動圈數(shù)在超過了180萬轉(zhuǎn)后均未出現(xiàn)漏氣情況，遠遠超過了設(shè)計使用要求。此外對磨損的滑環(huán)進行觀察，沒有發(fā)現(xiàn)粉屑掉落的現(xiàn)象，可以滿足氣路干凈要求。

試驗件還通過了振動、機械沖擊、高低溫存儲等試驗，最后結(jié)構(gòu)產(chǎn)品裝入實際產(chǎn)品內(nèi)，與探測光電系統(tǒng)一起按總體標準進行了全套相關(guān)試驗，均沒有發(fā)現(xiàn)一例密封失效的情況。與前期方案相比不僅在密封的可靠性上大大增強，而且由于摩擦阻力力矩小，使得控制回路響應(yīng)更為靈敏。

相關(guān)試驗表明，設(shè)計的旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)在密封性能、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性上均滿足產(chǎn)品要求。

4、結(jié)論

根據(jù)車氏密封原理設(shè)計的高壓氣體旋轉(zhuǎn)密封裝置，實現(xiàn)了無油潤滑、小摩擦力、高速旋轉(zhuǎn)和高壓氣體密封，其各項指標均達到了產(chǎn)品的要求，可靠性和環(huán)境適應(yīng)性達到了航空標準的要求，解決了某紅外光電系統(tǒng)中的漏氣問題。隨著框架式紅外平臺的發(fā)展，這種旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)對于需跟隨平臺運動的致冷器供氣系統(tǒng)具有很重要的意義，對于其他高壓供氣（或液壓傳動）產(chǎn)品的應(yīng)用也有良好的借鑒意義。