液压泵和液压马达的新型径向轴密封概念

液压泵和液压马达的新型径向轴密封概念液压泵和液压马达的径向轴密封的发展富有挑战性。密封唇上的机械力和热负荷随着所施加压力的升高而显著增加。由此而得的结果是，这些密封件所预期的寿命通常仅仅是从润滑时产生泄漏而终了，从而导致效益下降。本文探讨了目前市场上存在的具有不同径向压力的轴密封件，介绍了一种有封边轮廓密封的概念设计，此设计大大延长了其使用寿命。此外，所提出的新型密封概念除了通过增加特殊的结构来提高润滑以外，还可以通过减少接触压力来增加密封唇的灵活性。简介径向轴密封件是一种在各种各样的机器与流体环境中安全而又常见的部件。经过数十年的发展，这些密封件在实验方面做了改进，并且用目前的计算与模拟方法可以使其做到进一步的优化。随着对职业安全和环保意识的要求越来越高，径向轴密封可以满足除了较高的可靠性和长期的使用寿命的要求外的有效的零泄漏。但是加压介质中的密封总是较难的，并且液压泵和马达径向轴封在实现无泄漏运行、使用寿命长的研制中举步维艰。以上问题的原因是，随着压力的升高，机械力和热负荷施加在密封唇急剧增加。15在使用寿命为5000至10000小时，甚至可能需要更长的时间这种问题会更加严重。少量的泄漏会改善润滑，延长密封件的使用寿命。68图1介绍了一种为了防止液压泵泄漏把收集槽放置在下方的注塑机泵。密封的开发者和用户的目的使用多余的收集槽，这样有助于保护环境，使工作站变得更清洁。在此方面高质量和“零误差”是不可缺少的。本文概述了可能实现这些目标的途径。图1 注塑机液压泵漏油现象加压应用的定制径向轴密封件除了确保零泄漏外，密封件还应以满足各种需求，这些要求的优先次序是由个别的应用程序确定的。通常情况下，这些需求是相互矛盾的。例如，当应用程序涉及高周速度和高动态偏心或者在轴和外壳之间的偏移量相当大的时候，开发商将应用长度长而灵活的密封唇。相反，压力阻力时必须尽可能的使用短的密封唇。 7，9 图2 密封唇的接触应力取决于其长度和受压图2说明了应用两个径向轴密封密封唇不同长度这一点。密封唇（尺寸B）越长，有效压力范围A越大，因此工作压力灵敏度更高。该图说明了密封唇在轴上的接触压力是如何取决于密封压力的。图3 一系列不同的密封加压场合的径向轴封就像之前已经克服了发展无数不同的定制径向轴密封的问题一样，每一个问题都适合在特定的应用领域。图3显示的是一系列不同的密封加压场合下的径向轴封。图3a中的径向轴密封具有缩短的密封唇。允许其密封最大压力为10巴，并且最大滑动速度为2米/秒，径向轴定义的最大滑动速度小于0.1毫米也是可以的。图3b中显示的是密封唇是具有灵活性的标准密封设计，但它也能够密封更高的压力，其可以使用的压力高达10巴，速度为4米/秒。这种密封件是通过将一个标准的径向轴密封件放入一个具有外层橡胶涂层外壳中来实现的。壳体中轴向倾斜的金属板为密封唇起支撑功能。图3c中所示的解决方案也有类似的性能：这种密封件的密封唇被聚四氟乙烯密封条包裹，从而减少摩擦和延长使用寿命。图3d中短唇的方案是弹性体依附于一段已拉伸深拉延钣金。这种相当简单的设计其密封压力可超过10巴，圆周速度高达8米/秒。由于这种密封骨架没有弹性，径向力多由弹性体的松弛决定。该弹性件的解决方案的优势在于它有一个较小的有效承压面积（见图2）。这种设计的缺点是可以在零压力时发生泄漏 。图3e和图3f中的设计应用于压力高达140或200巴和滑动速度很低，要低于1.5米/秒的场合。无论如何，密封设计时要考虑到极端温度和极端压力不能同时发生的情况。泄漏与磨损图2表明，较高的压力会增加唇口的接触应力，之后就会有过度磨损的危险。高接触压力和滑动速度通常结合会导致几百瓦 /平方厘米的摩擦热。热负荷问题的意义可以通过比较与面积相关的炊具热板的热输出来证明，其热输出要小于10 瓦/平方厘米。 1 因此，低磨损的主要要求是在轴上最小可能的密封接触轴压力要有足够的散热和良好的密封接触区润滑。在整个接触区润滑油的永久使用将可达到理想化，因为它会创建一个湿润甚至是潮湿的，不引起油滴的空气侧。然而，这会与当初的目的产生矛盾，因为一般密封件的设计是使它保持无泄漏，并即使在最困难的操作条件有一定的“功能储备”。图4 径向轴密封的自然油封机理在多年的发展历程中通过实证调查发现，通过改变密封唇的几何形状和所得到的接触表面上轴的角度可以实现无泄漏，并且已经提出了各种假说来解释基于各种接触面角度物理密封机构。 1,10-12 图4对原理作了说明，轴封泵液在密封件的边缘下面被密封的区域，这种现象被称为“自然”或“动态”的密封机制，并且只有当密封唇的几何形状是不对称的时候才会发生，这里所指的不对称是接触面角度的轴上的流体侧（前表面）必须大于在空气侧（背面）。密封边压在轴上并且能够压平。最高接触压力发生在密封边缘是变形最明显的点。由于存在不对称的啮合面角，这一点是朝向油侧的。轴在旋转时，轴使切边的表面产生切向变形，从而产生定向结构。这种弹性变形的大小将取决于当时的接触压力。因此会在最大压缩点处达到最大并向两侧减小。用这种方式创建的变形结构可与两个不同长度和梯度的相反的螺杆进行比较，从而产生相反的粘性流动。1,10因此，从原则上说，流体会在两个方向上流动，但在空气侧的流体循环更长，因此有更大的能力来取代。由于表面的变形为纯弹性变形，径向轴封的动态密封机构不依赖于轴的旋转方向。以上说明了为什么径向轴密封不能分开两个充满液体的区域，比如为什么它运行时喷溅液体，甚至可能污染到密封的区域。它还解释了为什么一个安装错误的径向轴密封，也就是面对后面的区域要密封时，会不可避免地发生泄漏。图5 边缘间隙润滑不足引起的沟槽如果用于加压操作的密封被设计成整体循环、回流、泵送功能正常的方式，油侧的接触应力角远大于空气侧的接触应力角。在这种情况下，接触密封油不会到空气侧。结果是，密封唇从油到空气侧的润滑减小，密封件在空气侧会变干燥，这使得在这方面增加会磨损。图5是用一个例子来说明这一点。接触区域的空气侧增加局部磨损形成凹槽，从而导致密封的破裂。 13 如果以错误的方式安装，密封周围会出现泄漏，但是，润滑将会变好，磨损将大大减少。除了沟槽磨损，最常见的故障原因是密封边缘过热。非常高的表面压力和不足的润滑造成密封唇的热损伤。另外，从润滑油的分解产物中可以沉积和产生损害的密封图6 密封系统引起的热损伤机理。图6是在接触压力为8巴、圆周速度14米/秒运行48小时的密封系统的热过载部件。图6a是存在边缘热损伤和油碳沉积的密封件，图6b是清理后的密封件。密封边热过载引起的轴向裂纹清晰可见。图6c中轴的深色部分是在密封边缘施加的高热负荷形成的。优化润滑的压力密封图7 该密封边缘轮廓的旧式和新型的压力径向轴密封圈的比较 上一节中的知识已用于一个更耐压力径向轴密封的设计。它包括一个全新的、获得专利的两密封边缘轮廓的方法来减少磨损，提高使用寿命。为了提高密封区的润滑，该密封边缘的轮廓需要设计成使轴上空气侧表面接触面角比在零压油侧的接触角要大。同时需要在磨损最严重的区域密封边缘轮廓加一个人工槽，这会增加了磨损的风险和破坏粒子的积聚。图7比较的是旧式与新型的密封边轮廓，图中有两个密封轮廓图，是处于非组装状态的。从图中可以清楚地看到，在旧式油侧接触面角度远大于空气侧。然而，在新型油侧接触面的角度远小于空气侧。当密封件装配在轴上时，密封唇会发生弹性膨胀，在图中密封边缘转向逆时针方向。这进一步增加了在旧式的轮廓的接触面角的比率，但是新式密封件是平衡的：两侧的接触面角度几乎相等。根据密封机理的解释假设，人们希望新的密封件能够不断地将油从密封件中传递出来。图8 新型压力密封圈PPS的有限元模拟然而，在操作时，密封唇受压更会压到轴上，这种压力将导致出现轮廓上的附加旋转，继而出现表面接触角的变化。图8显示的是新型的压力密封的压力与载荷分别为3和7巴的有限元模拟的结果。这两个模型的变形说明接触表面的角度和接触宽度的变化与所受的压力的有关。轴向密封轮廓接触应力图表现的是密封边缘和轴上的密封唇接触压力。在受压为3巴时，在密封边缘计算出的压力分布几乎是对称的。我们可以得出这样的结论：表面接触角和是相同的。在受压为7巴时，在空气侧内的压力梯度低于油侧的压力梯度。由于接触压力存在，密封唇旋转，使得角大于角。因此，一旦操作压力超过约3巴，密封件中将倾向于从空气侧到油侧回油。液压泵中的压力通常是处于一个不断变化的状态，这就意味着密封边抽油方向的新设计总是不断变化的。在低压下，润滑油由内向外输送，而高压下则相反，这也意味着润滑油会不断地在密封接触区域交换，防止油碳沉积和干燥环境下运行，并将典型沟槽磨损减小到最低限度。图9 在不同操作时间下旧式(a)和新型(b)的密封边缘轮廓图已经在约10000小时的试验台试验和现场测试证明磨损的影响。即使没有压力，密封件也会保持无泄漏。在图9中比较了不同工作时间后新老密封件边缘轮廓图。图9a是旧式油封件剖面图，并清楚地表明，在仅仅48小时之后穿套。这一水平的磨损在所有剩余的操作时间下几乎没有改变，时间大约为1000小时。这一发现是在试验台上和实际设备上的部分试验证实的。图9b显示一个新的压力密封边缘轮廓和运行48小时后的轮廓。这种油封的类型属高级压力密封 (PPS)。加压介质径向轴密封新概念迄今为止讨论的所有压力密封件只能用于有限的压力/速度范围内。一个普遍适用的密封能可靠地密封在高压（大于10 bar）和较高的圆周速度（ 10米/秒）似乎不可行。图10 施有大量载荷的径向轴密封区域在图6中，施加在轴表面上的密封接触压力和与压力有关的摩擦表明密封边承受较高机械负荷。摩擦和由此产生的热量也会产生高的热负荷。这就意味着在密封件所有区域中，密封边缘受到最大应力。在工作压力下由于装配和变形导致密封唇在轴上的弹性膨胀会导致弹性体内的局部应力非常高，因为弹性体和钢板之间的连接会防止自由膨胀。密封唇越短，弹性越大，在壳体内径和密封边的临界区域的应力会越高，如图10中所示。图11 新式C型密封圈的概念图12 与密封压力有关的摩擦力矩的初始测量结果如果将弹性体与钢板连接膨胀的障碍消除，而不改变密封唇的长度，上述区域的应力可以降低。图11表明了一个新的设计径向轴密封的概念，以去除连接用弹性体的钢板。它也利用到之前的知识和在密封边的设计方面新的压力密封。图12显示了与密封压力有关的摩擦力矩的初始测量结果。与预期的相反，随着压力的增加摩擦扭矩实际上略有下降。这种效应可能归因于接触区的温度升高或者尚未进一步检查。对压力的摩擦转矩的变化表明了这种设计在压力密封领域存在潜力。由于缺乏灵活性，在没有压力的情况下，传统的压力径向轴封的密封唇的接触压力通常是比较高的，这也就是为什么它们不能用于高速场合。在新的概念中，接触压力和径向力在低压的情况下轴上密封唇平行位移和密封短唇的柔性相关，因此，这种径向轴密封也可用于在低压力和高速场合。通过几百小时的初始试验证实了新密封的功能。测试是在一个直径为40毫米的轴上进行的，施加了一个压力为10巴的中等压力，和大约3000转/分钟的相对高的速度，并同样在高压140巴和低速150转/分钟条件下进行。同时，本概念也可用于其他几个潜在的发展领域。密封仍然可以在抗挤压材料方面和封边的位置进行优化。然而，在现有的压力径向轴密封的概念，上面所描述的示例版本已经表现出了显著的优势。总之，新的密封圈式径向轴密封的专利结构具有以下积极的方面：密封边的磨损对密封圈相对于轴的位置和密封圈的功能的影响不大，因为C型轮廓的密封圈允许密封唇在轴上平行移动；有效压力的结构的表面几乎可以随意减少。尽管密封唇变短和压力的有效面积减少，但可以用更大的静态或动态偏心轴来补偿。密封边接触面的润滑，增加了密封件的使用寿命，符合PPS密封边的设计变更。密封唇的灵活性的增加，可以减少密封边的接触应力，而重叠可保持不变。这意味着这种径向轴密封既可用于低压和高周运转也可以在高压和低周速运转。总结与展望一般来说，在密封介质环境中使用径向轴密封是一个挑战。在密封唇上施加显著的机械力和热负荷，压力会使密封唇与轴贴合。低磨损的基本要求是控制轴上可能的最小密封接触压力，并且散热充分，润滑良好。在整个接触区的润滑油永久性交换将是理想的，因