滾動直線導(dǎo)軌副密封件及其應(yīng)用研究*

趙美玲，馮健文

（廣東凱特精密機械有限公司，廣東江門 529100）

0 引言

密封件是機械裝備中的重要零部件，對單臺機械設(shè)備、整套制造系統(tǒng)，整條自動化線生產(chǎn)過程的可靠性、安全性都有很大的影響，是機械設(shè)備防漏、節(jié)能及控制環(huán)境污染的重要基礎(chǔ)部件。近年來，端面改型密封成為密封設(shè)計和研究中較熱門的方向。如何設(shè)計出合適的密封端面結(jié)構(gòu)、優(yōu)化機械密封的綜合性能，是從事機械設(shè)計與制造的科技人員必須考慮的重要問題之一［1-2］。

密封性能是滾動直線導(dǎo)軌副（簡稱：導(dǎo)軌副）的性能之一［3］。直線導(dǎo)軌副由導(dǎo)軌、滑塊和滾動體組成，滑塊與導(dǎo)軌的配合間除了兩者的溝槽通過鋼球有接觸外，其他部位存在空隙，如圖1所示。直線導(dǎo)軌副工作時滑塊與導(dǎo)軌產(chǎn)生相對運動，在滑塊運動方向的后方的空隙和其他部位形成負壓，塵埃等雜物很容易進入，從而破壞導(dǎo)軌副的潤滑性能，導(dǎo)致其運動受阻，縮短其工作壽命。因此，要確保直線導(dǎo)軌副的使用壽命，必須對有縫隙的地方采取全方位的有效密封，圖2所示為導(dǎo)軌副端部、底部和內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)示意圖。

在某些工況導(dǎo)軌副的密封性能非常重要，而且在不同場合需要使用不同結(jié)構(gòu)的密封件和密封方式，才能起到相應(yīng)密封效果，因此，導(dǎo)軌副密封件的應(yīng)用技術(shù)是直線導(dǎo)軌副的重要研究技術(shù)之一。

本文通過研究滾動直線導(dǎo)軌副不同結(jié)構(gòu)密封件的密封效果，以提高密封件的密封性，這對苛刻工況下提高導(dǎo)軌副精度壽命有重大意義。

圖1 滾動導(dǎo)軌副密封件安裝

圖2 滾動導(dǎo)軌副密封件結(jié)構(gòu)

1 導(dǎo)軌副密封

導(dǎo)軌副密封功能為：防止灰塵、鐵屑、木屑等粉塵，以及切削液和其他雜物進入滑塊內(nèi)。同時阻止?jié)櫥瑒┝魇?，使?dǎo)軌副處于良好的潤滑狀態(tài)，確保其精度壽命。

導(dǎo)軌副密封設(shè)計主要包括：針對不同工況設(shè)計或選用與之匹配密封方法，密封件的結(jié)構(gòu)以及密封件材料的確定。

1.1 導(dǎo)軌副密封方法

某公司生產(chǎn)的導(dǎo)軌副基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，通常根據(jù)導(dǎo)軌副工作狀況采取適當(dāng)?shù)拿芊夥椒?，確保其工作精度及使用壽命。

（1）采用折疊式或伸縮板式防護罩（圖3），保護整根導(dǎo)軌副，避免外物進入導(dǎo)軌副的空間，這是導(dǎo)軌副的外保護方式，即導(dǎo)軌副防護的第一道防線，本文不作詳述。

圖3 滾動導(dǎo)軌副伸縮式防護罩

（2）采用密封端蓋和密封底片或加上內(nèi)密封條的密封系統(tǒng)，即第二道防線，主要目的是使導(dǎo)軌副自身具備防護功能。通常情況下，導(dǎo)軌副的密封多以接觸式為主，常用密封端蓋和密封底片組成全外圍密封。在較為惡劣的工作環(huán)境下，滑塊凹槽加裝內(nèi)部密封條，即第三道防線。當(dāng)異物進入到導(dǎo)軌頂面和滑塊凹槽內(nèi)時阻擋異物進入滾道內(nèi)（圖2）。

密封端蓋的設(shè)計是確保導(dǎo)軌副密封件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，材料為丁腈橡膠，密封唇緣與導(dǎo)軌截面結(jié)構(gòu)一致，形狀相對復(fù)雜，可分單唇和雙唇兩種結(jié)構(gòu)形式。單唇結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，主要用于無或很少的灰塵和雜質(zhì)的環(huán)境。雙唇密封用于有灰塵和雜質(zhì)的工作環(huán)境，結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，外唇（又稱防塵唇）可防止灰塵和雜質(zhì)等異物進入導(dǎo)軌副內(nèi)部，以免失去密封效果；內(nèi)唇防止?jié)櫥土鞒觯_保導(dǎo)軌副處于良好的潤滑狀態(tài)。

在特別惡劣的環(huán)境下，端部加裝密封端蓋。

圖4 密封端蓋結(jié)構(gòu)圖

（3）導(dǎo)軌頂面采用3種措施進行密封防護封堵導(dǎo)軌安裝孔：①在導(dǎo)軌安裝孔上堵上螺孔帽，封堵導(dǎo)軌安裝孔，讓安裝孔面與導(dǎo)軌頂面在同一平面，如圖5（a）所示；②在導(dǎo)軌上裝上防護帶板，封堵導(dǎo)軌安裝孔，使導(dǎo)軌頂面光滑平整，如圖5（b）所示；③底鎖導(dǎo)軌的安裝孔由底部開孔，導(dǎo)軌頂面光滑平整，如圖5（c）所示。

圖5 密封防護方法

以上3種防護因其導(dǎo)軌頂面結(jié)構(gòu)及表面特征，密封效果最好是方式③，其次是方式②。方式③因?qū)к壥怯傻撞堪惭b，應(yīng)用時受到極大限制，較少場合使用。一般認為方式②是導(dǎo)軌頂面最實用的良好密封方式。

1.2 直線導(dǎo)軌副密封件材料

丁睛橡膠具有良好的耐油性、彈性等，加之價格便宜等特點，在密封件中得到廣泛應(yīng)用。目前，廠商在橡膠材料配方中加入潤滑劑，可達到減磨目的［4］。本文中的直線導(dǎo)軌副密封件包括密封端蓋、密封底片、內(nèi)部密封條等采用的材料以丁晴橡膠為主，并以鋼片作為骨架組合而成，結(jié)構(gòu)多樣。對于空間有限的密封或在不同使用工況，酌情選用聚醚酯等其他材料。

1.3 直線導(dǎo)軌副工作速度

通常直線導(dǎo)軌副采用接觸式密封，但在不同的運動速度下其接觸程度（密封過盈量）有所不同。直線導(dǎo)軌副目前使用的速度大多在1.5 m／s以下，所以密封多采用接觸式密封，而對有些應(yīng)用大于或等于1.5 m／s的場合和工作環(huán)境良好的場合，密封端蓋和底、內(nèi)密封條采取與導(dǎo)軌表面輕微間隙的非接觸式密封。當(dāng)速度很高時，若使用接觸式密封或過盈量較大的密封，油脂快速被排出，而且導(dǎo)軌表面的油（脂）被刮得很干凈，密封件在高速運動過程中快速發(fā)熱。

2 試驗與分析

導(dǎo)軌副廣泛應(yīng)用于不同行業(yè)的加工裝備中，由于工作環(huán)境條件和要求各不同，如有些工作環(huán)境對導(dǎo)軌副密封要求特別高，如木工機械、玻璃機械、石墨機械等。直線導(dǎo)軌副的使用壽命幾乎決定于其密封性能。實驗工況是模擬多塵、多顆粒木工機械極端環(huán)境，即以小片狀及粉狀木屑幾乎覆蓋導(dǎo)軌副的狀況下進行試驗。

2.1 實驗裝置及實驗安排

（1）實驗裝置

實驗裝置為公司設(shè)計的HTPM?密封試驗機，其外觀如圖6所示。該試驗機采用同步帶帶動滑塊在裝有木屑的滾筒內(nèi)來回往復(fù)運動，木屑粒度為125目以下，滾筒采用步進電機通過齒輪傳動作圓周轉(zhuǎn)動，帶動木屑在滾筒內(nèi)不停翻滾，使滑塊在往復(fù)運動時，不停有木屑落到導(dǎo)軌副上，測試滑塊在滿布木屑粉塵的環(huán)境下所能達到的密封效果及運行壽命。

（2）試驗條件

滑塊運行速度為20 m／min，行程600 mm，滾筒轉(zhuǎn)速為30 r／min，潤滑油脂采用鋰皂基2號油脂，木屑粒度為125目。

（3）試驗對象

試驗對象為2根由廣東凱特精密機械有限公司生產(chǎn)的LGS25 AA P0 1×1000 FILL型滾動直線導(dǎo)軌，編號分別為1#和2#。實驗前在導(dǎo)軌注入額定的長城牌鋰皂基2號潤滑脂，實驗過程中不補充潤滑脂。

圖6 HTPM?密封試驗機

2.2 實驗結(jié)果及分析

2.2.1 實驗結(jié)果

采用兩種不同的措施實驗結(jié)果如下。

（1）1#導(dǎo)軌副的密封結(jié)構(gòu)及方法如圖7所示，該導(dǎo)軌的滑塊采用雙唇密封端蓋+內(nèi)部密封條+密封底片，導(dǎo)軌安裝防護帶板。

試驗結(jié)果：在實驗裝置上運行2 080 h后（實驗行程約為2 200 km），實驗裝置報警、停機。

圖7 1#導(dǎo)軌密封及方法方法說明

（2）2#導(dǎo)軌副的滑塊采用單唇密封端蓋+密封底片，導(dǎo)軌上安裝防護帶板，如圖4所示。

試驗結(jié)果：在實驗裝置上運行1 056 h后（實驗行程約為1 140 km），實驗裝置報警、停機。

2.2.2 分析

1#和2#導(dǎo)軌副的密封性能實驗不間斷持續(xù)運行，直到密封試驗機報警、停機。拆開導(dǎo)軌副可明顯看到，在導(dǎo)軌、滑塊內(nèi)部溝槽以及反向器內(nèi)積聚大量木屑，導(dǎo)致滾珠卡死在導(dǎo)軌上，無法運行。由于1#導(dǎo)軌副采用雙唇密封端蓋，并增加了內(nèi)部密封條，密封效果明顯好于2#導(dǎo)軌副。實驗結(jié)果如表1所示，由表可知2#導(dǎo)軌副實驗壽命為1 056 h，比1#導(dǎo)軌副實驗壽命2 080 h減少了約50%。由此可看出，合理選用導(dǎo)軌副的密封方式與密封結(jié)構(gòu)是保證導(dǎo)軌副工作壽命關(guān)鍵因素之一。

表1 導(dǎo)軌副試驗結(jié)果及失效原因分析

直線導(dǎo)軌副的應(yīng)用越來越廣泛，工作環(huán)境要求也越來越高和多樣性。如在水氣的潮濕環(huán)境和腐蝕環(huán)境，密封件快速磨損，失去密封作用，同時磨損的殘留物一旦進入滑塊就會污染滑塊內(nèi)的滾動體，從而影響導(dǎo)軌副的正常運作甚至損壞。導(dǎo)軌可進行表面處理，如鍍鉻等，但要進一步提高滑塊溝槽經(jīng)鍍鉻后尺寸精度和表面精度較難實現(xiàn)［5］。因此，研制一種在此潮濕腐蝕的環(huán)境使用有效的密封方式（裝置）是未來要突破的一個重要方向。

3 結(jié)束語

根據(jù)不同的工作環(huán)境，合理設(shè)計／選擇導(dǎo)軌副密封方式是確保其精度壽命的關(guān)鍵。

（1）HTPM?密封試驗機上，對采用兩種不同密封防護方式的LGS25 AA P0 1×1000 FILL型滾動直線導(dǎo)軌副進行實驗壽命對比分析。

（2）實驗結(jié)果表明：2#導(dǎo)軌副實驗壽命為1 056 h，比1#導(dǎo)軌副實驗壽命2 080 h減少了約50%。由此可看出，合理選用導(dǎo)軌副的密封方式是保證導(dǎo)軌副工作壽命關(guān)鍵因素之一。

進行密封性能試驗，尋求最佳密封件結(jié)構(gòu)和最佳密封效果；進行密封材料研究，尋找耐磨損，耐老化，耐高溫，抗腐蝕的材料，開發(fā)耐磨、耐高溫、耐腐蝕的直線導(dǎo)軌副密封件是提高導(dǎo)軌副的精度壽命的重要課題之一。