漲圈零件的設計與應用

王軒

摘 要：本文介紹了漲圈的基本結(jié)構和工作原理，闡述了漲圈設計過程中材料、結(jié)構、切口選擇和尺寸計算原則，說明了漲圈加工和檢驗要點，并總結(jié)了漲圈在使用中易出現(xiàn)的技術質(zhì)量問題和解決措施，為漲圈設計、加工、檢驗各過程提供參考。

關鍵詞：漲圈；材料；彈力；泄漏量；失效

一 、緒論

漲圈是一種自由狀態(tài)下帶有較大開口，工作狀態(tài)下與相配孔或軸緊密結(jié)合，開口基本貼合，具有較大向外擴張變形的金屬彈性環(huán)，一般形狀。常用的漲圈密封形式一般有兩種，一種為比較常見的旋轉(zhuǎn)軸端密封或油腔邊界密封，一種為高壓油密封。本文從漲圈工作原理、設計準則、加工工藝、失效模式開展研究分析。

二、漲圈的工作原理

2.1 基本結(jié)構與原理

漲圈密封主要是應用于旋轉(zhuǎn)軸的動密封，單道漲圈最基本的結(jié)構，漲圈裝入密封槽后，依靠自身彈力使其外圓柱面貼緊機匣內(nèi)圓柱面，同時作用于漲圈的左側(cè)端面和內(nèi)側(cè)圓柱圓柱面上，當旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，帶動漲圈內(nèi)側(cè)介質(zhì)轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的徑向離心力進一步加強了徑向密封效果。漲圈外圓柱面與機匣內(nèi)圓柱面之間形成第一個密封面，稱為次要密封面。

漲圈左側(cè)面受工作介質(zhì)壓力作用，使其右側(cè)面和密封環(huán)槽右側(cè)貼緊，形成第二個密封面，稱為主密封面。

2.2 漲圈的優(yōu)缺點

2.2.1 漲圈的優(yōu)點【1】

a）尺寸應用范圍廣。漲圈的常用外徑尺寸一般為30mm～150mm。

b）工作壓力范圍廣。在200kgf/cm2以內(nèi)均可正常工作，旋轉(zhuǎn)軸直徑小于600mm時，最高工作壓力可達到320kgf/cm2。

c）能夠承受比較高的密封線速度。一般軸承腔密封線速度為10m/s，航空用漲圈線速度一般為60m/s，高線速度可達到100m/s。

d）使用溫度范圍廣。200℃以下均可正常工作，理論上可達到400℃。

e）漲圈工作一般與滑油接觸，同時漲圈與相配件的材料一般都具有自潤滑性，摩擦阻力小。

2.2.2 漲圈的缺點

a）漲圈的泄漏。由于切口和端面槽的存在，漲圈不可避免的有一定的泄漏量。

b）加工合格率不高。漲圈對于材料質(zhì)量、加工質(zhì)量（彈力、翹曲、透光等）要求較高，易產(chǎn)生報廢。

三、漲圈的設計

3.1 漲圈材料的選擇

漲圈在長期工作中應保證保持良好的密封性能，不能發(fā)生大的磨損，同時漲圈本身的工作環(huán)境也比較惡劣，功能要求很高，因此漲圈的材料應具有很高的耐磨性、抗刮傷性、耐蝕性、導熱性、貯油性、密封性、彈性和疲勞強度，還需具有低的摩擦系數(shù)。在實際應用中，漲圈密封常用材料一般為鑄鐵、合成鑄鐵、青銅或合金鋼等【2】。

3.2 漲圈尺寸的設計

漲圈在工作狀態(tài)下，應依靠自身的彈力卡緊在殼體上不隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，要合理設計漲圈的彈力。如圖7所示，設T1為主密封面的摩擦力矩，T2為副密封面的摩擦力矩，取安全系數(shù)為1.2，即T2≥1.2T1【3】。

主密封面的摩擦力矩T1的計算公式為：

式中：f1為端面摩擦系數(shù)，一般取值0.01～0.05

ΔP為漲圈兩端的壓差

R1為裝配后漲圈內(nèi)徑

R2為漲圈槽零件外徑

R3為機匣裝配漲圈孔直徑

副密封面的摩擦力矩T2的計算公式為：

式中：f2為外圓摩擦系數(shù)，一般假設f2= f1，漲圈平均彈力為p2

式中：B為漲圈厚度，漲圈自由狀態(tài)下的切口間隙

式中：E為彈性模量

漲圈設計時需考慮漲圈摩擦功率N的大小，摩擦消耗需在設計可接受的范圍內(nèi)。

式中：n為軸轉(zhuǎn)速

3.3 漲圈的泄漏量

泄漏量是漲圈密封的重要考核指標，指工作介質(zhì)在壓力差或速度差作用下沿密封間隙的介質(zhì)傳遞。漲圈常用的切口形式有三種，平口、斜口和搭口。平口和斜口式漲圈切口處的泄漏量相當，搭口式的泄漏量比其它兩種低，約為平式的70%。

四、漲圈的加工和檢驗

4.1 漲圈的加工

漲圈的加工工藝路線一般為：毛坯→粗加工成筒狀→切成環(huán)狀→磨外徑→車內(nèi)徑→開口→熱固定→磨端面。其中切成環(huán)狀的漲圈內(nèi)外徑加工成組進行，需設計制造專用工裝。熱固定時工藝開口大小應考慮自由狀態(tài)下的回縮量，與材質(zhì)有關，一般（2～4）mm，可試驗確定。

4.2 漲圈的檢驗

漲圈從材料到成品涉及的檢驗項目主要如下【4】。

a）化學成分檢驗是每熔批零件最重要的檢驗項目，特別是碳含量、碳化合物、錳和磷含量。

b）漲圈的硬度是測定耐磨性的因素之一，低的硬度會導致彈性和耐磨性降低，封嚴漲圈的硬度一般在HRB100～HRB105（約HBS200～HBS270）之間，由于切削性和組織限制，所以漲圈存在硬度上限HRB105。

五、漲圈的失效形式與原因

漲圈失效一般發(fā)生在次密封面，零件表現(xiàn)形式為自由狀態(tài)開口變小，外徑磨損，嚴重時側(cè)面磨損甚至漲圈折斷。分析認為導致漲圈磨損的基本原因是漲圈隨旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，總結(jié)如下。

5.1 漲圈彈力下降

導致漲圈工作后彈力下降可能有以下幾方面原因：

a）漲圈材料問題。漲圈生產(chǎn)對于材料基本只關注化學成分和硬度等指標，對于顯微組織構成關注不夠，一些組織疏松、共析體數(shù)量較多等問題均可能導致漲圈彈力下降。

b）漲圈熱定型工藝參數(shù)不穩(wěn)定。熱定型工藝參數(shù)不穩(wěn)定，會影響漲圈開口尺寸的穩(wěn)定性，導致漲圈工作后彈力下降。

5.2 漲圈翹曲變形

如果漲圈在裝配后存在變形，也可能導致工作后出現(xiàn)磨損。分析認為引起漲圈變形的原因可能有以下兩點：

a）時效應力釋放影響。漲圈完成加工后，其機體存在一定的熱應力和加工應力，在存放或使用過程中有應力釋放，進而影響其形狀變化。

b）裝配時銼修和試裝影響。漲圈在裝配時可能需要銼修漲圈的開口，保證裝配后的間隙，在銼修和試裝時可能產(chǎn)生漲圈翹曲或塑性變形。另外，開口處銼修后可能存在毛刺，增大了漲圈側(cè)面的摩擦，不利于漲圈工作。

5.3 漲圈設計要求偏低

5.3.1 漲圈配合精度偏低

漲圈對于尺寸、形位公差、粗糙度等要求很高，尤其是表面粗糙度一般要求Ra≤0.2μm，零件技術狀態(tài)差會對工作可靠性會產(chǎn)生一定的影響。

5.3.2 漲圈在開口處尖邊影響工作裕度

漲圈在開口處一般為尖邊結(jié)構，當漲圈側(cè)面摩擦增大或發(fā)生輕微翹曲時容易從對口處首先發(fā)生磨損，進而影響漲圈工作的可靠性?？筛鶕?jù)實際情況對漲圈開口增加倒角、倒圓等相應改進。

六、總結(jié)

本文對漲圈類零件的設計、制造和使用給出了一些粗淺結(jié)論和建議，更多細節(jié)的理論和經(jīng)驗還不夠全面，僅供技術人員參考，需要更進一步開展工作，才能在漲圈工作穩(wěn)定性等方面獲得更為準確、實用性更高的研究成果。