大型密封圈的安裝和密封效果檢測(cè)方法研究

陳竟飛

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

彈簧蓄能型密封圈的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它利用彈簧蓄能原理增加預(yù)緊力達(dá)到最好密封的效果，因此對(duì)密封面和同心度有較高要求。在對(duì)大直徑的彈性體進(jìn)行安裝時(shí)，由于安裝均勻性不好，容易使大直徑彈性體局部變形損傷，進(jìn)而造成個(gè)別點(diǎn)滲漏，對(duì)工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)這是一個(gè)值得研究的課題，因此，通過(guò)一定的安裝和檢測(cè)手段確保其密封性能就顯得尤為重要，也是其應(yīng)用擴(kuò)展的基礎(chǔ)。本課題最早的需要來(lái)源于浸油式大型輸電滑環(huán)的動(dòng)密封設(shè)計(jì)，雖然該裝置已經(jīng)采用了新型環(huán)形結(jié)構(gòu)從而大大減少了漏油對(duì)設(shè)備造成的危害，但頂部的局部滲漏仍然是亟待解決的難題。

目前，蓄能型密封圈在國(guó)外應(yīng)用較為普遍，其大直徑的應(yīng)用多半是在特定的海上或其他惡劣環(huán)境中，而解決其安裝、預(yù)緊和檢測(cè)的方法則少有介紹。在有的文字介紹中，對(duì)蓄能密封圈的應(yīng)用、安裝測(cè)試方法都是概念性的。本文是在實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行提煉和總結(jié)，為國(guó)內(nèi)使用者提供實(shí)用方案和注意事項(xiàng)，同時(shí)也對(duì)大型密封圈的定制起一定的規(guī)范作用。

從工程實(shí)際出發(fā)，介紹在防腐環(huán)境下，大型密封圈的安裝固定方式和密封狀態(tài)的檢測(cè)裝置，對(duì)大型回轉(zhuǎn)裝置的動(dòng)密封提供了設(shè)計(jì)思路。

1 彈簧蓄能密封圈的特點(diǎn)

隨著這幾年密封應(yīng)用的廣泛和技術(shù)進(jìn)步，彈簧蓄能型密封圈和旋轉(zhuǎn)軸封的應(yīng)用也越來(lái)越趨于成熟，其使用環(huán)境、使用場(chǎng)合也越來(lái)越多樣化。比如：高溫密封(工業(yè)油缸，汽車發(fā)動(dòng)機(jī))、低溫密封(液氮，液化石油氣，液化二氧化碳，液化氧氣等)、高壓密封(壓力機(jī)，空壓機(jī)，高壓水切割機(jī)等)、高速密封(往復(fù)運(yùn)動(dòng)油缸)。組合運(yùn)動(dòng)密封場(chǎng)合(如伺服油缸、風(fēng)電變槳油缸、大型動(dòng)力滑環(huán))的衛(wèi)生安全也是一大特點(diǎn)，目前食品和藥品的密封已基本采用該種形式。

彈簧蓄能密封圈雖然看起來(lái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其實(shí)不然，不同公司產(chǎn)品的使用壽命可能差別很大，在國(guó)際上以法國(guó)圣格班品牌和技術(shù)為最佳，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家眾多，具備獨(dú)立設(shè)計(jì)能力的廠家并不多，即具備大口徑定制能力的廠家不多，廣州加士特密封技術(shù)有限公司、上海瑞密和旭隆密封等是具備設(shè)計(jì)和定制生產(chǎn)的廠家。

不同工況下密封件的結(jié)構(gòu)、密封材料配方的選擇和差異化的制造工藝對(duì)生產(chǎn)廠家都非常重要，但設(shè)備方更關(guān)注的是如何確保安裝到位并保證密封性能，生產(chǎn)廠家往往只是給定了密封圈所要求的硬度、粗糙度和同心度的要求，而對(duì)于如何安裝和正確使用密封圈則是工程設(shè)計(jì)人員需要解決的問(wèn)題。

2 密封圈的安裝要求和安裝方式選取

彈簧蓄能密封圈一般要求安裝零件硬度達(dá)到HRC50.粗糙達(dá)到Ra0.4以上[1]，同心度則和泄漏量息息相關(guān)，其配合安裝要求很高，基本原理如圖1所示。

圖1 基本原理圖

大型設(shè)備在防腐要求下(比如海洋環(huán)境)外部通常使用不銹鋼為主體材料(316 L，雙相不銹鋼等)，要達(dá)到硬度要求是有困難的，若采取鍍涂方式成本將大大提高，而且不易作進(jìn)一步表面光潔處理，因此我們采用了新的設(shè)計(jì)思路，將動(dòng)密封設(shè)計(jì)成一整套密封圈的組件，而組件材料則以能夠適應(yīng)密封圈的安裝要求為第一要素，采用軸承鋼為主體材料，見(jiàn)圖2密封組件的形成。

圖2 密封組件的形成

該組件在設(shè)備安裝中則分別對(duì)動(dòng)環(huán)、靜環(huán)兩個(gè)部分采用靜密封的方式安裝就很容易達(dá)到密封要求，見(jiàn)圖3所示的安裝基本形式。

圖3 安裝基本形式

根據(jù)其基本原理，密封圈在密封組件上的安裝有2種方式，可以裝在上下兩個(gè)部分，也可以根據(jù)實(shí)際要求采用雙密封方式。一個(gè)密封槽內(nèi)安裝一正一反2個(gè)密封圈，正裝的密封圈可以保證油的密封，防止油外溢，反裝的密封圈可以保證外界風(fēng)、雨、雪的侵蝕[2]。正反裝的密封圈保證即使有負(fù)壓存在，也能起到良好的密封效果，極大地減少了熱脹冷縮對(duì)密封性能的影響，也可組合設(shè)計(jì)成一個(gè)密封圈以方便安裝。

總體上可以將密封組件看成1個(gè)異形軸承，只是根據(jù)尺寸大小、精度和同心的要求采用不同的方式而已，比如液動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承，組裝式采用滾動(dòng)軸承，精度由低到高可以是深溝球軸承、角按觸軸承、四點(diǎn)接觸軸承、交叉滾子軸承等等，分裝式可以采用滑動(dòng)軸承的方式，軸瓦可以是帶自潤(rùn)滑的耐磨材料[3]。

依據(jù)動(dòng)密封失效的分析結(jié)果，對(duì)密封件和軸承進(jìn)行重新設(shè)計(jì)選型，為便于安裝，將原方案中2個(gè)反向安裝的密封圈合并成1個(gè)雙向開(kāi)口并帶有蓄能彈簧的密封圈，密封件材料為抗老化耐磨材料。截面如圖4所示。

圖4 截面圖

同時(shí)，修改動(dòng)密封技術(shù)方案，并更改軸承設(shè)計(jì)。新方案提高了密封槽壁面的技術(shù)要求，密封壁面粗糙度要求達(dá)到Ra0.1～Ra0.2。

考慮到軸承廠現(xiàn)有的加工技術(shù)無(wú)法滿足我們對(duì)密封件安裝的要求，于是決定將原密封軸承的密封槽部分與軸承分開(kāi)設(shè)計(jì)。將密封槽單獨(dú)作為零件加工，安裝在軸承上，組合成一個(gè)帶轉(zhuǎn)動(dòng)密封的組件。這樣便于將密封槽部分單獨(dú)處理。同時(shí)可拆卸式結(jié)構(gòu)使得密封件的維護(hù)和更換更加便捷。

密封槽部分分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)2個(gè)零件，該部分密封槽壁面的加工采用豪克能工藝，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的內(nèi)/外圓磨加工工藝。毫克能工藝具有效率高、成本低、適用性廣的優(yōu)勢(shì)，尤其適用于大尺寸零件的表面改性及鏡面加工。

3 大型密封圈的安裝探討

首先定義一下大型密封圈的概念，這里將直徑500以上的密封圈定義為大型密封圈，主要基于兩個(gè)原因，一是為保證密封性能不能將蓄能彈簧獨(dú)立裝配；二是由于密封圈主體材料較軟，無(wú)法用簡(jiǎn)易方法壓入。

由于密封圈的安裝結(jié)合面要求較高，而壓入過(guò)程中密封圈和蓄能是對(duì)壓入起反作用的，因此密封圈導(dǎo)入槽的設(shè)計(jì)就很有必要，見(jiàn)圖5所示導(dǎo)入槽的結(jié)構(gòu)。

圖5 導(dǎo)入槽的結(jié)構(gòu)

導(dǎo)入槽的高度設(shè)計(jì)為密封圈高度的1.5～2倍，傾斜角要確保在密封圈自由狀態(tài)時(shí)能夠輕松地放入槽內(nèi)，利用壓緊圈、壓緊法蘭導(dǎo)向軸和絲桿螺母組成的專用壓緊工裝，均勻壓入密封圈，確保無(wú)局部變形，密封圈唇口無(wú)損傷，見(jiàn)圖6所示的壓入裝置原理圖。

圖6 壓入裝置原理圖

從圖6可以看出，隨著密封圈尺寸的增大，為確保均勻壓入，該壓入裝置的機(jī)構(gòu)會(huì)越來(lái)越復(fù)雜，要求也越來(lái)越高，甚至隨著壓入力的增加，會(huì)將手動(dòng)壓入改為自動(dòng)壓入，值得一提的是，當(dāng)密封圈壓入到位后，其導(dǎo)入槽可根據(jù)裝配需要進(jìn)行二次加工或局部修改，建議盡可能地予以保留。

4 大型動(dòng)密封密封效果的檢測(cè)裝置

密封效果的檢測(cè)對(duì)于大型密封圈的安裝效果及在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的密封狀態(tài)很有必要，其簡(jiǎn)單易行，能避免在設(shè)備整機(jī)上做測(cè)試的復(fù)雜，另外在樣機(jī)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)密封效果的檢測(cè)可以達(dá)到不斷改進(jìn)的作用，主要是壓緊槽和壓緊力的設(shè)計(jì)，反過(guò)來(lái)也能根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)密封圈的改進(jìn)提出要求。圖7為檢測(cè)裝置示意圖。

圖7 檢測(cè)裝置示意圖

密封測(cè)試裝置是對(duì)獨(dú)立密封組件的檢測(cè)，它讓密封效果有了定量分析，保壓時(shí)間和不同壓力下的滲油量是判斷可行性的主要指標(biāo)。對(duì)700 mm直徑的深溝球軸承動(dòng)密封進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。為此，專門設(shè)計(jì)了一套具有保壓功能的旋轉(zhuǎn)裝置，對(duì)動(dòng)密封進(jìn)行旋轉(zhuǎn)耐磨壽命試驗(yàn)。

動(dòng)力部分的技術(shù)要求：

轉(zhuǎn)速0～5 r/min可調(diào)；

工作方式：1軸電動(dòng)；

轉(zhuǎn)角范圍：可無(wú)限制連續(xù)圓周旋轉(zhuǎn)，順時(shí)針逆時(shí)針均可；

回轉(zhuǎn)速率平穩(wěn)度：±6%；

密封空腔保壓壓力：100 kPa。

按以上要求，制定檢測(cè)方案如圖8所示。該裝置可以模擬軸承密封的實(shí)際安裝條件，并能在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)耐磨測(cè)試的同時(shí)進(jìn)行保壓測(cè)試。圖8為動(dòng)密封保壓壽命測(cè)試裝置。

圖8 動(dòng)密封保壓壽命測(cè)試裝置

圖9 內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)

圖10 內(nèi)部空腔結(jié)構(gòu)

密封軸承與圓形底座組成一個(gè)保壓腔體，內(nèi)部充氣或變壓器油。除轉(zhuǎn)動(dòng)部分采用動(dòng)密封外，其余部分均為靜密封。

5 結(jié)束語(yǔ)

大型回轉(zhuǎn)裝置的密封性能在設(shè)計(jì)方面主要取決于3個(gè)要素：一是密封圈的材質(zhì)，它決定了密封圈的耐磨性與彈性；二是蓄能型彈簧的蓄能量，即單位面積的正壓力；三是接觸面的剛度和光潔度。大型回轉(zhuǎn)密封圈在安裝上必須解決兩大問(wèn)題：一是密封圈安裝壓入力的均勻性，即無(wú)損傷；二是密封圈轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的均勻性，即無(wú)跳動(dòng)。

因此在使用者和生產(chǎn)廠家之間就有了溝通的目標(biāo)，而以上的幾個(gè)參數(shù)，既有理論值又有統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)值，一般通過(guò)對(duì)這幾個(gè)參數(shù)的調(diào)整達(dá)到一個(gè)最優(yōu)的安裝方法。而動(dòng)密封效果的檢測(cè)裝置既解決了實(shí)際應(yīng)用的檢測(cè)，也為設(shè)計(jì)過(guò)程中的參數(shù)選擇提供了參考。

綜上所述，對(duì)大型密封圈的安裝和檢測(cè)裝置的論述是在實(shí)際過(guò)程中對(duì)設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題的分析和解決，它解決了密封圈生產(chǎn)廠家和設(shè)備應(yīng)用方之間的銜接問(wèn)題，擴(kuò)展了對(duì)蓄能型密封圈的應(yīng)用，對(duì)具體設(shè)計(jì)提出了注意事項(xiàng)和方法。