浮動(dòng)油封的應(yīng)用探討

摘要：浮動(dòng)油封是因其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以在工程機(jī)械及礦山機(jī)械具有泥水、泥沙的惡劣環(huán)境中使用，針對(duì)浮動(dòng)油封結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理、損壞原因等方面進(jìn)行分析，通過(guò)浮動(dòng)油封的正確安裝減少損壞的可能。

關(guān)鍵詞：浮動(dòng)油封;浮封環(huán);彈性體;損壞原因。

引言

密封可以分為動(dòng)密封和靜密封兩大類，密封的主要作用為防止設(shè)備工作介質(zhì)的泄露和外界塵埃與異物的侵入。密封件的價(jià)格相對(duì)于設(shè)備整機(jī)價(jià)格百分比不高，但起到的作用卻非常大。浮動(dòng)油封屬于動(dòng)密封，誕生于上世紀(jì)五十年代后期，是針對(duì)泥水、泥沙等惡劣運(yùn)行環(huán)境而設(shè)計(jì)的機(jī)械密封機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，耐污、耐磨、耐振動(dòng)和耐沖擊，工作可靠，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)方便，具備端面磨損自動(dòng)補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛使用在各種工程機(jī)械及礦山機(jī)械上[1]。

1 浮動(dòng)油封的結(jié)構(gòu)

一般常見的浮動(dòng)油封按彈性體形狀分為DO型（彈性體為O形圈）和DF型（彈性體為變異菱形）2種基本形式。這2種浮動(dòng)油封都是由2個(gè)彈性體和2個(gè)浮動(dòng)密封環(huán)，分別安裝在2個(gè)座腔（1個(gè)靜止，1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)）內(nèi)構(gòu)成，它們的結(jié)構(gòu)原理基本相同。密封環(huán)材質(zhì)為耐磨的鐵合金材料，通過(guò)彈性體壓縮變形產(chǎn)生的軸向預(yù)緊力，將相對(duì)的密封環(huán)壓緊，從而實(shí)現(xiàn)密封功能。

如圖1所示，在實(shí)際使用中，以DO型和DF型2種浮動(dòng)油封為基本型，根據(jù)實(shí)際使用工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而得到不同形式的浮動(dòng)油封組合形式。

2 浮動(dòng)油封工作原理

密封環(huán)是浮動(dòng)油封的主體元件，工作時(shí)相互配對(duì)產(chǎn)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)摩擦，它的密封面環(huán)形亮帶是經(jīng)過(guò)精密加工的，工作表面粗糙度值為Ra0.2μm，亮帶的徑向?qū)挾纫话銥?.5mm±0.5 ㎜左右，在它的亮帶表面內(nèi)側(cè)由2個(gè)斜面構(gòu)成從亮帶內(nèi)緣向軸心方向的“V”形給油縫隙，使密封腔內(nèi)的潤(rùn)滑劑在毛細(xì)作用和離心力的作用下進(jìn)入兩邊密封面之間，保證2密封環(huán)亮帶表面的充分潤(rùn)滑，在相對(duì)滑動(dòng)中始終保持一層極薄的油膜，它同時(shí)具有流體靜壓力和動(dòng)壓力的作用，起到平衡內(nèi)外壓差的功能，保證它們之間的潤(rùn)滑又不向外泄露，也不讓外界雜質(zhì)進(jìn)入腔體內(nèi)部。

彈性體安裝在密封環(huán)背部與座腔之間，將密封環(huán)精確定位在座腔內(nèi)。彈性體不僅為輔助靜密封元件，而且對(duì)密封環(huán)產(chǎn)生軸向和徑向的作用力。徑向作用力起到向密封環(huán)傳遞扭矩的作用，軸向作用力對(duì)密封環(huán)提供必須的密封補(bǔ)償力，由于其彈性補(bǔ)償范圍大，可以忽略一定的裝配誤差，在設(shè)備發(fā)生振動(dòng)、竄動(dòng)、擺動(dòng)時(shí)，能保持金屬密封環(huán)密封面的有效貼合，并沿圓周方向產(chǎn)生作用力、閉合浮動(dòng)油封中間縫隙;同時(shí)，浮動(dòng)油封密封面間的油膜改善了密封面之間的摩擦工況，減少摩擦熱的產(chǎn)生，油膜的填充粘合作用也可提升密封效果，彈性體自身變形產(chǎn)生的彈性壓力也為彈性體和密封環(huán)之間提供靜密封作用。

在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，隨著密封環(huán)的磨損，浮動(dòng)油封的密封面將會(huì)持續(xù)向軸心線方向移動(dòng)。密封環(huán)有較大的磨損儲(chǔ)備，有效壽命可以一直持續(xù)到密封面抵達(dá)金屬環(huán)內(nèi)徑。浮動(dòng)油封必須有穩(wěn)定、可靠的潤(rùn)滑油膜并及時(shí)將摩擦產(chǎn)生的熱導(dǎo)出才能正常工作。

3 浮封環(huán)材質(zhì)

耐磨和耐腐蝕是浮動(dòng)油封對(duì)金屬密封環(huán)的兩項(xiàng)主要要求。金屬密封環(huán)一般采用合金鑄鐵金屬模精密鑄造或滾子軸承鋼經(jīng)加工熱處理后制成。從耐腐蝕方面來(lái)看，在相同條件下合金鑄浮封環(huán)和軸承鋼浮封環(huán)沒有明顯差別，軸承鋼浮封環(huán)密封面磨痕較平，而合金鑄鐵浮封環(huán)密封面上卻有很多細(xì)微的溝槽。軸承鋼浮封環(huán)由于密封面磨痕較平，在軸向壓力作用下，潤(rùn)滑油無(wú)處存放，易造成干摩擦，磨損較快，而合金鑄鐵浮封環(huán)密封面在磨損過(guò)程中能夠形成很多細(xì)微溝槽為潤(rùn)滑油提供了存儲(chǔ)空間， 使得合金鑄鐵俘封環(huán)密封面形成流體潤(rùn)滑、吸附膜潤(rùn)滑及干摩擦等組合的薄膜潤(rùn)滑方式，由于潤(rùn)滑情況良好，磨損相對(duì)較慢。因此從耐磨性方畫來(lái)看，合金鑄鐵浮封環(huán)優(yōu)于軸承鋼浮封環(huán)。

浮封環(huán)密封面表面硬度要求較高，一般達(dá)到HRC58 以上，最高可到HRC72。為使金屬材料達(dá)到較高硬度，提高耐磨的性能，對(duì)于多數(shù)材料，浮封環(huán)還需要進(jìn)行整體淬火硬化處理或密封面表面硬化處理。表面硬化處理一般采用感應(yīng)淬火、另外也有氮化、或等離子弧粉末噴焊、激光淬火等。相比整體淬火，表面硬化處理可以使金屬環(huán)熱變形量達(dá)到最小。

4 彈性體

浮動(dòng)油封對(duì)彈性體的主要標(biāo)準(zhǔn)是高耐熱性和低永久壓縮變形。在一般的應(yīng)用中，采用標(biāo)準(zhǔn)的丁腈橡膠材料就可以滿足使用要求。當(dāng)對(duì)耐高溫性能有更高的要求時(shí)，可以旋轉(zhuǎn)氫化丁腈橡膠、氟橡膠或硅橡膠材料。在選用某些橡膠材料時(shí)需要針對(duì)所采用的油品進(jìn)行油品兼容性檢測(cè)。彈性體有時(shí)會(huì)選擇不同的硬度，主要是為了能夠在不改變座腔尺寸的情況下對(duì)浮動(dòng)油封的預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)節(jié)。彈性體質(zhì)量與性能，對(duì)浮動(dòng)油封影響非常大，因此需特別注意。

5 浮動(dòng)油封的使用要求

5.1密封面的旋轉(zhuǎn)線速度不得超過(guò)10m/s。

5.2無(wú)論設(shè)備閑置還是處于工作狀態(tài)，浮動(dòng)油封都必須保持潤(rùn)滑，防止密封面形成冷焊。

5.3必須盡可能的減少摩擦損失。

5.4浮動(dòng)油封的預(yù)載力大小必須根據(jù)密封面的磨損速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5.5在旋轉(zhuǎn)和靜止?fàn)顟B(tài)下都不能泄露。

5.6密封面之間摩擦所產(chǎn)生的熱量必須有做夠的潤(rùn)滑油通過(guò)自身的流動(dòng)將其帶走。

5.7密封腔內(nèi)外的壓力差需要進(jìn)行平衡。一般情況下，浮動(dòng)油封的內(nèi)外壓力差不得大于3bar。

6 潤(rùn)滑與維護(hù)

6.1潤(rùn)滑時(shí)盡可能避免采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。因?yàn)樵诿芊饪p隙中，油脂難以創(chuàng)造潤(rùn)滑條件。而這將導(dǎo)致更劇烈的磨損，從而縮短浮動(dòng)油封使用周期。如果一定要采用潤(rùn)滑脂做潤(rùn)滑劑.要控制最大線速度不能超過(guò)3 m/s。

6.2一般禁止用注油槍來(lái)注脂密封，因?yàn)橛蜆尩母邏耗芤苿?dòng)和破壞O形圈。

6.3初始安裝時(shí)不要在密封面上使用潤(rùn)滑脂。如果這樣，有可能會(huì)在裝配過(guò)程中壓縮時(shí)在腔內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)壓力。

6.4正確的油量范圍滿足密封的整個(gè)生命周期。

6.5如果在維修過(guò)程中拆開浮動(dòng)油封。即使看起來(lái)良好狀況.也必須重新安裝一個(gè)新的密封。因?yàn)槌跏及惭b磨合時(shí)。密封面會(huì)產(chǎn)生一個(gè)固定的運(yùn)行軌跡.拆開后再次安裝不能保證精確安裝在原位.密封面的磨損路徑不再匹配，密封面再次運(yùn)行時(shí)可能會(huì)有漏油情況發(fā)生。

7 浮動(dòng)油封損壞的原因分析

7.1浮動(dòng)油封未能成套安裝使用，如新舊浮封環(huán)搭配使用。

7.2浮動(dòng)油封的浮封環(huán)和彈性體硬度、表面粗糙度、尺寸等不符合要求。

7.3彈性體壓縮量不符合要求，因?yàn)閺椥泽w壓縮量影響密封力的大小，密封力過(guò)大或過(guò)小均影響密封性能。

7.4安裝前，未能仔細(xì)檢查，浮動(dòng)油封出現(xiàn)碰傷、缺口等問(wèn)題，亮帶未做到勻稱而光亮，有劃傷、裂紋等缺陷。

7.5裝配人員對(duì)安裝過(guò)程不重視，未能使用安裝工具進(jìn)行安裝，而簡(jiǎn)單使用螺絲刀等將浮動(dòng)油封裝入密封座，會(huì)導(dǎo)致彈性體產(chǎn)生扭曲、變形，進(jìn)而導(dǎo)致漏油現(xiàn)象產(chǎn)生。

7.6浮動(dòng)油封密封面受力不均勻或受力過(guò)大。

7.7環(huán)境過(guò)于惡劣，灰塵、煤渣等污染物被反復(fù)擠壓，引起浮動(dòng)油封彈性體損壞。

7.8浮動(dòng)油封選擇不合理，不適應(yīng)設(shè)備的潤(rùn)滑油等工作介質(zhì)，不適應(yīng)設(shè)備工作溫度，浮動(dòng)油封與浮封座配合不合理。

7.9設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)后突然啟動(dòng)，由于潤(rùn)滑不良，彈性體和浮封環(huán)可能發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致浮動(dòng)油封損壞。

7.10浮動(dòng)油封安裝座腔加工不合理或座腔磨損嚴(yán)重導(dǎo)致浮動(dòng)油封安裝后漏油。

7.11設(shè)計(jì)過(guò)程或安裝過(guò)程出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致彈性體壓縮量不在預(yù)期范圍內(nèi)，浮動(dòng)油封工作條件無(wú)法滿足。

8 浮動(dòng)油封的安裝要求

浮動(dòng)油封的正確安裝對(duì)浮動(dòng)油封的使用效果影響至關(guān)重要。浮動(dòng)油封的金屬材料具有很高的硬度和耐磨性，但同時(shí)非常脆，需要輕拿輕放，避免敲擊或碰撞。最好是可以用浮動(dòng)油封的專用安裝工具進(jìn)行安裝，正確的安裝方法如下所示：

8.1安裝前盡量保持浮動(dòng)油封包裝完整，尤其要小心保護(hù)密封面上精細(xì)研磨的亮帶，絕不允許有磕碰痕跡或輕微劃傷的現(xiàn)象。彈性體也要防止有損傷現(xiàn)象發(fā)生。浮動(dòng)油封防止受到污染、損壞。

8.2浮動(dòng)油封座腔a在安裝前必須進(jìn)行徹底清潔和檢查，不得有任何金屬粉末或油脂殘留，不得有鋒利的邊緣或棱角。

8.3用安裝工具b卡住浮動(dòng)油封，并水平放置在座腔口，向下按壓工具，使壓力直接作用于彈性體上，將浮動(dòng)油封壓入座腔。在安裝過(guò)程中可以使用無(wú)水酒精潤(rùn)滑彈性體以方便安裝。嚴(yán)禁使用油脂或丙酮潤(rùn)滑。

8.4將浮動(dòng)油封壓入座腔后，檢查彈性體是否扭曲或起伏不平，并選多點(diǎn)測(cè)量密封面高度，最高點(diǎn)和最低點(diǎn)相差不得超過(guò)1mm。如果安裝過(guò)程中使用酒精潤(rùn)滑，需要將酒精擦干或等到酒精完全揮發(fā)后才進(jìn)行下一步操作。

8.5清潔密封面并在密封面上涂一層薄油膜作為初始潤(rùn)滑。

8.6按照同樣方法完成另一邊浮動(dòng)油封的安裝后，將兩邊相對(duì)壓緊，檢查并調(diào)整安裝間隙尺寸A。

9 裝配間隙尺寸A

在浮動(dòng)油封座腔的所有尺寸中，裝配間隙尺寸A對(duì)于浮動(dòng)油封的正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。在保證浮動(dòng)油封座腔所有加工尺寸都正確無(wú)誤的情況下，裝配間隙尺寸A決定了浮動(dòng)油封的預(yù)載力大小。保證了裝配間隙在允許的公差范圍內(nèi)，就保證了浮動(dòng)油封的最佳軸向載荷。

一般而言我們按照浮動(dòng)油封廠家給出的選型尺寸表中的A值就可以使浮動(dòng)油封在大多是應(yīng)用中都可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但在轉(zhuǎn)速較高，外部壓力過(guò)大等特殊工況下，需要對(duì)裝配間隙進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)調(diào)整浮動(dòng)油封的預(yù)載力和軸向載荷的大小。

DF型浮動(dòng)油封對(duì)于軸向公差和軸向位移的大小要求較高。一般來(lái)說(shuō)，采用DF型浮動(dòng)油封必須嚴(yán)格保證裝配間隙A在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中都保持在允許的公差范圍內(nèi)。DF型浮動(dòng)油封的間隙尺寸A可以調(diào)節(jié)的范圍很小。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，DO型浮動(dòng)油封對(duì)于軸向公差和軸向位移的適應(yīng)性較強(qiáng)。在A值的實(shí)際公差無(wú)法控制在允許的范圍內(nèi)時(shí)，一般建議采用DO型浮動(dòng)油封，并對(duì)公差A(yù)的大小進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)較大的軸向公差和軸向位移。

10結(jié)語(yǔ)

浮動(dòng)密封一般在含有大量粉塵和水等惡劣的工作環(huán)境中，具有工作可靠、壽命長(zhǎng)、端面磨損能自動(dòng)補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，但對(duì)浮動(dòng)油封零件的加工精度和安裝要求較高，必須對(duì)密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在浮動(dòng)油封零件的加工、測(cè)量精度以及裝配時(shí)所施加密封力的大小等方面加以有效地控制，才能保證良好的密封性能和較長(zhǎng)的使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊剛雷.浮動(dòng)油封的使用分析[J]潤(rùn)滑與密封 ，2003（4）：37-38

作者簡(jiǎn)介：宋艷斌（1987.3-），男，山西省晉城市，2009年7月畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)，職稱：工程師，研究方向：技術(shù)研發(fā)。