一种新型旋转轴密封齿形滑环式组合密封(发表

1、一种新型旋转轴密封齿形滑环式组合密封（发表于机械工程师2000第8期 中国当代思想宝库收编，中国管理科学院优秀学术成果一等奖）陈社会摘 要：介绍了齿形滑环式组合密封的结构、工作原理及应用情况，与其他旋转轴密封相比，该密封具有高寿命、低摩擦、密封性能优良及结构简单、适应性强等特点。关键词：组合密封；滑环式；齿形；泄漏引言按运动方式不同，动密封可分为往复运动密封和旋转轴的密封。旋转轴的密封以前常采用填料密封，现多采用油封和机械密封。但油封不能承受高压（一般国产耐压型油封最高工作压力不超过3MPa，国际上最高不超过10MPa），且工作条件受到严格限制，难以应用到如泥沙、水泥泥浆及有强腐蚀性介质的密封

2、上；机械密封虽可承受高压至40MPa，但结构复杂，一次性投入大，成本高，一般应用于石油化工等领域。随着现代机械设备逐步向高压、高温、高速发展，对密封件要求也越来越高。齿形滑环式组合密封（以下简称齿形密封）正是为适应这些要求而研制开发的新型旋转轴密封件。1 结构形式和密封机理1.1基本结构所谓滑环式组合密封，一般由一个增强聚四氟乙烯的滑环（也有采用尼龙材料）和橡胶弹性体（一般为O形橡胶圈）组合而成。常见的如图1所示的阶梯形同轴密封件（斯特封）、方形同轴密封件（格来圈）。它是利用增强聚四氟乙烯的耐磨性来提高密封件的使用寿命，O形圈起弹性施力和静密封作用。此类密封件具有较高的使用寿命和较低的摩擦阻力

3、，但单件使用具有较大的泄漏量，据文献记载泄漏量是橡胶密封的23倍，一般运用于液压往复运动密封。（a） 阶梯 形同轴密封件（斯特封） （b）方形同轴密封件（格来圈）图1齿形密封由一个密封唇像齿形的增强PTFE滑环和一个O形橡胶圈组合而成，如图2（a）所示。PTFE为美国杜邦公司1938年研制成功的，摩擦系数小，仅为0.020.04；具有自润滑特性，几乎可耐受所有化学介质浸蚀，故又称“塑料王”；温度适应范围宽，可在-100+250（a）齿形滑环式组合密封 （b）密封径向力分布图2范围内长期工作。根据不同的工况条件填充一定比例的添加剂如铜粉、碳纤、二硫化钼、石墨、玻纤等。填充增强的PTFE具有极高的

4、耐磨性（较纯PTFE提高1500多倍），良好的物理机械性能。形橡胶圈采用GB3452.1-92标准系列，作为静密封可以实现完全的密封。1.2密封作用机理齿形滑环一般设计有两个密封唇，前一个是主密封唇，具有特定的几何形状；后一个为副密封唇，起阻隔油膜和防尘作用。 O形圈起提供弹力和相对于壳体和滑环的静密封作用。唇口的方向应朝向压力方向。O形圈具有预压缩，压缩率一般取11%18%，因此产生一定的径向力“抱紧力”，使滑环主密封唇紧紧贴合在被密封表面以实现密封。随着压力的增高，密封的“抱紧力”越大，密封唇和轴的贴合越紧密，故压力越高密封性越好。O形橡胶圈被滑环的侧边挡着，因而不会被“挤出”，可以耐受高

5、压。滑环主密封唇口具有特定的几何形状，其主要作用：一是在密封部位产生较尖锐的径向力，有利于建立理想的润滑油膜，即保持“临界油膜”厚度（理性的油膜厚度为2.5um）；二是有利于轴高速旋转形成的有害摩擦而转化的热量散失。因而齿形密封尤其适用于旋转轴的密封。常规滑环式组合密封（通常指格来圈、斯特封）之滑环较“厚硬”，当工作一段时间后形成磨损，即产生一定的间隙。O形圈不能提供足够的力使“厚硬”的滑环产生足够的变形予以补偿，因而长期工作后泄漏量较大。加之PTFE材料弹性差，较橡胶密封制品“跟随补偿性”差，因此在高速、低压及有振动偏心场合泄漏量更大。齿形密封针对性地进行了改进，创造性地采用了“薄唇”滑环结

6、构。滑环唇部较薄，易于变形，O形圈提供的弹力能够使薄唇的滑环产生足够的变形以补偿及其细微的磨损量，即齿形密封具有自动补偿的功能，因而具有良好的密封性和极高的使用寿命。2 齿形密封的特点及其基本结构形式2.1齿形密封的特点如下：1）工作寿命高，是常规橡胶密封制品的510倍，最高达数十倍。 2） 摩擦力小。仅是橡胶密封制品的1/21/4，具有较低的摩擦力。3）具有主副两个密封唇，密封性能极佳。4）可根据需要对油膜厚度进行调整，密封性能可靠。5）结构简单，安装方便。6） 适应性强。2.2 齿形密封适用工况条件 齿形密封适用工况条件见下表。齿形密封适用工况条件表压力/Mpa 温度/ 速度/ms-1 介

7、 质070 -55+250 6 水、油、气、酸、碱、泥沙、水泥泥浆等2.3 基本结构形式齿形密封的基本结构形式如图3所示。3 齿形密封在生产实践中的应用齿形密封自投入市场以来，以其高寿命、低摩擦、无泄漏以及结构简单适应性强等特点受到用户普遍欢迎。可广泛应用于石油、化工、( a）闭式沟槽 （b）开式沟槽图3冶 金、机电、液压、气动以及军事工业等行业的泵、马达、齿轮箱、减速机、反应釜等旋转轴的动密封部位，亦可应用于于一般往复运动密封。如应用于沈阳某军工厂 一出口空间产品上，介质为高渗透易燃易爆气体氢气，无油润滑。原密封为常规橡胶密封制品，每运转半小时必须停下来冷却。采用齿形密封后，连续运转不停 歇

8、，且寿命较原密封提高近20倍；应用于徐工集团亚洲最大的KHU2000型钻机密封，旋转轴径为530mm、500mm，工作介质为水、泥沙混合物，旋转速度近5m/s。在设计选型时，该公司曾咨询了德国某跨国密封公司等外国公司，后决定选用齿形密封，现处于良好的运行中，并已推广应用至其他系列；承德石油配件厂生产的石油钻井用平板阀，工作压力为70 MPa。原用美国原装进口密封，但摩擦力大、寿命短。采用齿形密封后，很好地解决了上述问题；用于济宁伊顿液压有限公司JH轴配流马达替代原近口美国密封，受到用户好评；用于常州三环生物工程有限公司SFM30、SFM50、SFM100、SFM200生物反应釜上，该产品为高速、高温且要求无污染长寿命，采用齿形密封后解决了原用机械密封结构复杂、调整不便以及寿命短的问题，并降低了成本；徐州矿务局二机厂生产的HZS75型混凝土搅拌站，介质为极其恶劣的水泥泥浆，密封寿命提高