液壓氣動密封技術概述

張繼軍

（陜西能源職業(yè)技術學院，陜西咸陽 712000）

0 引言

隨著科技水平提升，工業(yè)化進程快速發(fā)展，社會改造自然的能力顯著提高，人們生活方式也發(fā)生很大變化。工業(yè)化發(fā)展過程中，密封與液壓氣動技術是實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)代化動力控制方面的關鍵技術。隨著我國現(xiàn)代化建設不斷加快，液壓氣動密封技術的作用日益凸顯。國內(nèi)外十分重視氣動密封技術的發(fā)展，液壓氣動密封工業(yè)發(fā)展速度高于機械制造工業(yè)發(fā)展。目前，液壓氣動密封技術發(fā)展情況研究較少，介紹液壓氣動密封技術發(fā)展情況，對促進液壓氣動密封行業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 液壓氣動密封技術簡述

當前機械領域自動化技術飛速發(fā)展，液壓氣動技術中密封技術決定液壓氣動技術應用水平，采用密封技術能防止液壓缸等相關部件油氣水泄漏，提高機械產(chǎn)品工作效率，對節(jié)能環(huán)保具有重要意義[1]。密封圈是沖壓設備的關鍵部分，在制動器、氣墊等部位具有關鍵作用，其性能直接影響沖壓穩(wěn)定性。我國對大型自動沖壓生產(chǎn)線需求與日俱增，對密封圈要求不斷提高，沖壓設備使用密封圈面臨更快速度及更長使用壽命的新要求。

自動化生產(chǎn)線發(fā)展中衍生出氣動相關學科，密封技術是液壓氣動技術發(fā)展中的核心技術，可以緩解氣缸等構件泄漏問題，保障機械設備運行安全，提升產(chǎn)品效率。當前液壓氣動密封技術得到快速發(fā)展，液壓氣動密封技術得到很大提高[2]。例如，汽車生產(chǎn)中要求保證發(fā)動機極高轉(zhuǎn)速，發(fā)動機運行中產(chǎn)生較高溫度，添加劑具有腐蝕性，密封技術要做出嚴格改善。金屬冶煉中相關機械設備轉(zhuǎn)速極高，液壓氣動技術發(fā)展需要提升相應技術水平，要求摩擦力具有很高穩(wěn)定性，必須保證密封摩擦系數(shù)較低。目前國內(nèi)很少有針對氣動密封的研究，隨著對密封圈可靠性要求提高，國內(nèi)對密封圈可靠性進行廣泛研究?，F(xiàn)有研究大多針對O 形靜密封圈，缺乏對Y 形圈可靠性分析，沒有量化算出密封可靠度。

機電產(chǎn)品日新月異，對氣動密封技術提出更高要求。例如，汽車發(fā)動機追求小型化，轉(zhuǎn)動速度加快，使用強腐蝕性添加劑，對液壓氣動技術要求提高。我國深海石油鉆探技術不斷發(fā)展，待開采原油處于地層較深位置，溫度壓力逐漸增大，密封件需耐強酸及腐蝕性抑制劑侵蝕。液壓傳動技術發(fā)展趨勢是提高控制水平，要求裝置密封件具有很低的摩擦阻力，低壓下要求密封件具有很低的摩擦系數(shù)，維持平穩(wěn)運動。高頻運轉(zhuǎn)下需要具有較高壽命，傳動介質(zhì)水性化，對密封系統(tǒng)帶來較多問題。必須加快液壓氣動密封技術研究，發(fā)展新型密封系統(tǒng)。機械生產(chǎn)受到一些因素影響，相關技術人員必須重視液壓氣動密封技術。

2 國內(nèi)外液壓氣動密封技術存在的問題

密封技術在液壓氣動技術發(fā)展中不斷進步，國外采用密封技術主要是活塞密封，主要依靠傳動介質(zhì)壓力對密封元件張口唇口擠壓達到密封目的。由于利用介質(zhì)壓力擠壓，壓球唇口張口方向要順應介質(zhì)壓力方向，導致密封效果下降。

依靠橡膠密封圈彈性變形徑向壓力實現(xiàn)密封，主要依靠O形圈為彈性載體的組合密封圈，對密封圈施加預緊力產(chǎn)生彈性形變產(chǎn)生徑向力，實現(xiàn)密封。橡膠密封圈結構密封存在較大預緊力，對單件密封O 形圈磨損較大[3]。采用組合密封由于處于形變狀態(tài)，橡膠圈會失去彈性，發(fā)生老化。O 形橡膠圈采用實心結構，橡膠圈與剛面摩擦產(chǎn)生大量熱量，聚集在密封圈，無法及時散去，使得密封圈壽命縮短。多種故障導致氣缸失效，密封圈失效是重要原因。密封圈失效有多重模式，由于存在摩擦力，導致密封圈表面形貌受到影響，磨損導致密封圈直徑變化；密封圈設計不合理導致工作中被擠壓破壞；老化會影響密封圈力學性能，導致密封圈永久壓縮變形。

氣動元件密封技術是氣動設備關鍵技術，氣動密封壓力與液壓密封相比較低，滑動速度為0.2～0.5 m/s，氣動密封壽命按滑動距離要求5000～20 000 km。氣體滑動效果較差，氣缸摩擦問題最重要，氣動密封中有間歇潤滑等方式，裝配時在密封界面放入潤滑脂，是一勞永逸的潤滑方式。間歇潤滑每周期提供潤滑油，沖壓線氣墊使用間歇潤滑方式。為保證良好潤滑能力，介質(zhì)運動中應不受干擾。要求接觸中點具有適當最大壓力值，氣動與液壓密封有很多不同，摩擦力對元件工作性能影響較大。由于無液體介質(zhì)帶走熱量，導致高溫積累。密封是主機關鍵性技術，密封零件失效會增加維修成本。密封元器件可靠性驗證是產(chǎn)品研制的重要工作，密封圈投用前應通過系統(tǒng)性可靠性驗證。密封圈需要通過仿真、裝機實驗等多個驗證步驟，只有每步驗證都合格才能投用。

為適應經(jīng)濟快速發(fā)展，解決工業(yè)介質(zhì)泄漏是當務之急。液壓系統(tǒng)密封件使用壽命是高效工作的重要指標，液壓技術快速發(fā)展同時，液壓輸出評價在液壓系統(tǒng)中有了更高標準。要求密封圈符合調(diào)節(jié)范圍，密封圈各種工況下會產(chǎn)生摩擦。密封圈失效引起介質(zhì)泄漏，帶來世界性環(huán)境污染。國外提出無泄漏要求，必須對密封裝置考慮周全，包括密封元件設計安裝等，安全密封要求深入了解密封理論，考慮各種影響密封間性能的因素。

3 液壓密封圈的發(fā)展

液壓傳動是通過為液體介質(zhì)壓力傳遞能量，各行業(yè)工業(yè)領域中液壓傳動形式應用廣泛。工農(nóng)業(yè)機械、冶金機械到海陸空各種設備都體現(xiàn)液壓技術的重要地位。密封件性能是密封裝置運轉(zhuǎn)的關鍵，關系到液壓系統(tǒng)控制精度。密封技術發(fā)展歷史久遠，人們懂得利用水利技術時開始使用密封技術。

蒸汽機的出現(xiàn)將密封技術帶入機械元素中，密封件作為機械設備重要零件出現(xiàn)在工業(yè)領域。帕斯卡原理應用于工藝技術領域。18 世紀末，出現(xiàn)密封高技術機械設備，隨著機械加工技術快速發(fā)展，19 世紀高精度加工技術得到迅速發(fā)展。水壓機技術得到很大提升，19 世紀末，水壓機水壓改為油壓，水對一些機械器件的腐蝕性是很大弊端，采用油壓機械提高零件壽命是必然趨勢。液壓技術發(fā)展，同時密封技術不斷改進。

隨著工藝技術突破，合成橡膠的出現(xiàn)提高了密封性能。合成橡膠具有很大優(yōu)勢，由于皮革需進行充填處理，避免滲透。經(jīng)處理后合成橡膠具有流動性等特性，對復雜密封件加工起到很大作用。密封在液壓系統(tǒng)中具有重要作用，油液泄漏時常發(fā)生，液壓系統(tǒng)設計時對密封圈缺乏足夠重視，使用者對密封知識了解較少，只有精準設計和認真選用，才能保證密封效果。

密封失效導致泄漏帶來巨大危害，引起眾多事故，美國土星火箭運行中出現(xiàn)235 個故障，約38%原因是密封件失效。1986年美國“挑戰(zhàn)者”號事件，航天飛機發(fā)射地點環(huán)境溫度過低，降低火箭助推器橡膠圈材料硬度，密封圈與剛性壁出現(xiàn)10 mm 縫隙，引發(fā)航天飛機爆炸。溫度對密封圈影響非常大，液壓密封圈溫度場分析非常必要。

4 新型液壓氣動密封技術

目前，傳統(tǒng)液壓氣動密封技術有很大劣勢，新型液壓氣動密封技術必將出現(xiàn)。常見的液壓氣動密封技術有內(nèi)腔介質(zhì)壓力自補償密封技術，以及海洋機械密封技術。

傳統(tǒng)液壓氣動密封技術需借助推動活塞的介質(zhì)，使用內(nèi)腔介質(zhì)壓力補償型密封技術能克服傳統(tǒng)技術的不足。新型密封技術通過內(nèi)腔實現(xiàn)密封圈擠壓，降低密封圈值產(chǎn)生壓力。新型密封技術是形成介質(zhì)運作內(nèi)腔，需借助缸體活塞部位活塞溝槽，內(nèi)腔介質(zhì)承壓力徑向進入介質(zhì)工作內(nèi)腔，保證缸面表面與密封圈牢固粘住。

新型密封技術效果顯著，密封圈徑向力增大，密封圈材料承受在最大壓力限度內(nèi)，達到最佳密封效果。相比唇口密封圈技術，內(nèi)腔介質(zhì)壓力自補償型密封技術不會出現(xiàn)張口磨損現(xiàn)象。內(nèi)腔介質(zhì)壓力自補償密封技術作業(yè)面有很多凸臺和道，密封相當于迷宮，提升密封構件最大承受力。新型密封技術穩(wěn)定性很強，相比以往O 形密封圈技術，在承受介質(zhì)壓力較小時，采用新型密封技術，密封效果時間較長。

海洋原油勘探應用各種液壓氣動技術，核心密封技術必不可少。由于深海環(huán)境特殊，原油勘探不能單純使用O 形密封圈技術，機械密封技術非常重要。海洋機械密封設備采用旋轉(zhuǎn)設備軸封裝置。環(huán)在軸帶動下進行旋轉(zhuǎn)時靜環(huán)固定，密封效果依靠動靜環(huán)接觸面產(chǎn)生滑動摩擦力，實現(xiàn)密封。海洋機械密封裝置使用中產(chǎn)生端面磨損，可通過O 形圈強化密封效果。殼體與動靜環(huán)有間隙，出現(xiàn)介質(zhì)泄漏，加入O形圈可降低泄漏情況。海洋原油勘探中采用氣動密封可保障其密封性，密封技術有很強的惡劣環(huán)境耐受性，對溫度因素有很大適應能力，可通過補償器裝置提高密封效果，防止海水滲入。水下勘探作業(yè)機器人使用液壓系統(tǒng)通過多組件相連接，海洋勘探機械裝置加入補償器，不會增大油的體積，使得內(nèi)外壓力平衡。海洋機械密封結構如圖1 所示。

圖1 海洋機械密封結構