性变形原理在油缸密封设计中的应用_图文

1、20昕年10月第32卷第10期润滑与密封LUBRICATloN ENGINEERING0ct.2007v0J.32Nnl0橡塑弹性体弹性变形原理在油缸密封设计中的应用吴文涛刘建红(广州宝力特液雎密封有限公司广东广州510700京摘要:基于密封幽。形罔的密封原理,分析了橡塑弹性体在油缸密封中的静密封作用和动密封作用,甥述了橡塑客叠弹性体弹性变形足弹性体在往复运动密封中运用的基本原理,在设计各类油缸密封中起着重要作用。矗嚣关键词:橡甥弹性体;静密封;动密封;油缸密封;往复运动密封器中国分类号:哪138.I文献标识码:B文章编号:0254一0150(2007lO一1323随着国内密封市场的不断发展和

2、日益成熟,特别是最近几年,各类国外密封产品大量进入国内市场,市场r密封产品种类越来越多,对密封件的认识也提高到了一个新的水平。周内密封件企业需要小断消化密封行业的新产品、新技术,不断提高理论水平。在此,本文作者通过分析油缸密封中各类橡塑弹性体的密封状态,对橡甥弹性体掸忭变形及压缩变形进行分析,总结出油缸密封弹性体设计的一些基本原理。l基本概念在油缸密封中,弹性体的概念一般主要指材料单一、截面形状规整(圆形、矩形或者二者的结合、与滑环或密封环日t合使用的密封元件.在油缸密封中可提供预紧力和磨损弹性补偿。如孔用方形圈和轴用阶梯围中的O形圈。在本文中这一概念有所扩大,弹性体还包括在油缸密封中受到压缩

3、变形并单独起密封作用的橡塑密封元件,其截面也不固定为规整的形状。相对静止的结合面之间的密封称为静密封;相对运动的结合面之间的密封称为动密封。其中,动密封又可以分为往复运动密封和旋转动密封2类。本文作者论述的油缸密封,应用的主要是静密封和往复运动密封,而往复运动密封品质的好坏对油缸密封性能有着蓖要的影响。通常我们将往复运动密封与油缸密封等同。实际上油缸密封中不仅包含往复运动密封形式的动密封,还有静密封,因此本文作者所指油缸密封与往复运动密封为2个不同的概念。2油缸密封中弹性体的静密封作用油缸密封中,无论是活塞封、活塞杆封还是一些连接部位的密封,总存在各种相对静止的结合面,这些结合面的密封,一般属

4、于静密封,最常用的有0形圈、x形圈(又叫景形圈、矩形圈等。这些密封产品一般选择普通的丁腈橡胶(NBR或者氟橡胶(FKM。它们的密封原理与O形圈的密封原理基本相同,如图l所示。收稿日期:2嘶一071t1l嗣裱飞j7目l争l,掣it4I h,图1O形圈在密封腔体内的雕缩变形图1(a为密封腔内没有油压时O形圈的状态,此时0形陶在密封腔体内产生压缩变形,该压缩变形使0形圄产生对密封腔初始压缩应力,形成初始压力p.和P:,在国内标准中,压缩率一般取20%左右。图l(b为密封腔内左侧存在油压p时O形圈在密封腔内的变化,此时整个O形圈向右侧挤压,同时也将压力传递给原密封腔面,叠加后的压力起到密封作用。作者在

5、油缸密封的多年设计中注意到,上面的O 形圈的密封原理对于设计各类密封圈,特别是组合式往复密封有特别重要的指导意义。国外很多看起来很特殊的组合密封,将各个组件分解之后.然后再利用0形圈的乐缩变形提供预应力的原理,很容易就能够设计m与国外相同结构原理的产品。同时,在设计中还发现,元论提供预紧力的密封圈截面如何变化,它在与其它往复运动密封组件组合时,其提供预紧力的原理与O形嘲提供预紧力的原理基本相同。作者利用该原理进行产品设计,在宴际中得到诸多成功的应用。因此,压缩变形原理是各种往复运动密封设计的基本原理之一。下文将运用该基本原理,结合实际往复运动密封的典型产品类型滑环式同轴组合密封(以方形围为例,

6、具体论述弹性体在油缸密封中存在的密封形式。滑环式同轴组合密封是油缸密封中应用越来越广泛的密封形式之一,如图2所示,图2(a为滑环与O形圈没有安装在沟槽中之前的自由状态,图2(b则是该滑环式组合密封圈安装入沟槽番万方数据2007年第10期吴文涛等:橡塑弹性体弹性变形原理在油缸密封中的应用133中后在油缸内压力p的作用下它们所处的状态。滑环式同轴组合密封由2个组件组合而成,即O形圈和密封滑环;当施加油压p时,O形圈产生压缩变形,并向外支撑滑环和提供压缩预紧力给滑环,使密封滑环起到与滑动油缸腔面的密封作用。作为弹性体,0形圈的作用仅只有这一点是不够的。首先,滑环和油缸腔面之间总是存在摩擦,滑环肯定存

7、在磨损,O形圈作为弹性体,要补充滑环的磨损,使滑环与油缸腔面保持良好的接触而达到长期密封的效果;其次,弹性体。形圈不仅与滑环接触,还和沟槽的另外腔面有接触(如图2(b所示,因此,弹性体0形圈还防止油缸中的液压油从与其接触的各接触面泄漏出去,其情形与O形圈的静密封情况相同。不难看出, 0形圈在该滑环式同轴组合密封中其作用与在静密封中的作用相当,不同的是,增加了不断向滑环回弹并提供弹性补偿的过程。图2滑环式组合密封中的O形圈(以方形圈为例该滑环式同轴组合密封是橡塑弹性体在往复密封中的典型个案,具有相当的代表性,在其它类型的滑环式同轴组合密封中,虽然弹性体的截面可以更换成矩形、D形或“凸”字形等其它

8、不同的形状,但基本理论与该个案一致。明确了这一点,在设计其它类型的滑环式同轴组合密封的时候,只要根据弹性体的不同截面形状,掌握好弹性体的压缩率,就能较快捷准确地设计出需要得到的同轴组合密封产品。这里需要指出的是,弹性体的材料,除了上文所说的丁腈橡胶、氟橡胶外,高性能聚氨酯具有良好弹性模量正在得到更多的应用。当然在具体设计同轴组合密封时,要结合选用的弹性体的物理机械性能进行各项参数计算设计,参数计算超出本文所讨论的范围,在此不赘述w。必须指出的是,在弹性体设计时要注意弹性体的体积不可压缩特性。.由上述可以看出,弹性体在滑环式同轴组合密封中其静密封作用得以扩展和延伸,而滑环式同轴组合密封正是充分利

9、用了弹性体的静密封特性和弹性体的压缩变形并回弹的特性而达到往复密封效果。不仅如此,随着弹性体材质的变化,可以在此基础上大胆改进,结合传统的密封结构,发展出单独使用弹性体进行往复运动密封的动密封产品。3油缸密封中弹性体的动密封作用如上文所述,O形圈在静密封的时候主要考虑0形圈的压缩率。实际上传统设计中也有调整O形圈的压缩率,将O形圈用于油缸往复密封中,但往往密封很快失效。而上文所论述的滑环式同轴组合密封,由于目前滑环材料的可选择范围比较窄,比如最常用的材质是填充聚四氟乙烯(PTFE,它的缺点也是比较明显的,即在油缸系统压力较低的时候,该密封往往出现渗漏,达不到理想的密封效果,特别是在油缸有较高保

10、压要求的工况条件下.难以实现保压(在话塞密封时称之为内泄漏。这里,本文作者结合弹性体材质的物理机械性能提出对弹性体截面进行新的结构设计,以解决油缸密封内泄漏问题。目前的国家标准以及国际标准中,O形圈的截面直径最大为8.6一,O形圈的截面面积是很小的,可以选择加大弹性体的截面面积,并改变截面设计,克服往复运动密封过程中滑动面磨损与发热而导致的密封失效现象,以达到良好的动密封效果。或选用新的弹性体材料并设计新的截面形状。3.1往复运动密封弹性体截面的新设计一tJ【b J图3弹性体截面变化举例图3为对往复运动密封体截面的新设计方案,该方案的密封保压效果很好.其特点是加大了弹性体截面的面积,并对密封面

11、进行了新的设计。该弹性体一般采用丁腈橡胶(NBR,在油缸压力不高于16MPa 的情况下,能使油缸达到零泄漏,能达到非常好的保压效果。图3中,弹性体形状特点是密封接触面为3段圆弧(凸峰,避免了弹性体截面变大而使密封面增大的缺点,防止运动过程中摩擦发热而导致的密封失效,密封面的凸峰在设计的时候选择不同的压缩率,形成3个不同的压缩预紧峰,从而形成3个不同压缩应力集中面。3个凸峰之间的凹槽可以存储液压油,提供弹性体与油缸腔体摩擦过程中的润滑,有效提高弹性体的密封寿命。图3(a是弹性体自由状态时的截面形状,图3(b则是弹性体安装到油缸沟槽中变形后的截面形状,3个凸峰与油缸腔接触面万方数据润滑与密封第32

12、卷之间形成3个应力集中面,形成3道密封面。3.2选用新往复运动密封弹性体材料并作设计改进在传统油缸往复运动密封中,鼓形圈是一种典型的结构.它是在矩形截面弹性体的基础上对矩形截面进行改造,使矩形截面呈中间厚、两端薄的对称形式,使密封面集中到鼓形囤的中间位置,在鼓形圈截面的中部形成一个密封带,从而起到密封作用的(如图4所示。在传统鼓形圈制作工艺中,它需要2种不同的材质,一般情况下,截面中阳J密封带采用丁腈橡胶,而两端则采用丁腈夹布橡胶(如图4(b所示。其密封原理和上文所述的0形圈的密封原理相同,依然是依靠弹性体的压缩变形随接产生压缩碰紧应力从而达到密封圈的密封效果,不同的是,由于鼓形圈截面两端采用

13、了夹布丁腈橡胶,能避免纯丁腈橡胶在高压作用下的挤隙现象。2o,可以在油缸往复运动密封中承受较高的压力。采用丁腈橡胶加丁腈央布橡胶制成的鼓形圈在实际工作中存在一些不足,如材料易老化变形,布和胶易开裂,制作工艺相对复杂等。在这里,介绍一种采用进口浇注型聚氨酯(cPu材料”1制作的鼓形圈,可以解决传统鼓形圈密封中存在的问题(如图4(a所示。目目(-I浇注型聚氨醋(cPu(b1精橡胶和丁脯夹布椁胶图4鼓形圈浇注型聚氨酯(cpu是现在国际上比较通用的一种密封材料,其弹性模量大,物理机械性能好,能承受较大的冲击载荷,且国外聚氨酯生产公司目前已经基本解决了聚氨酯抗水解问题,耐温等级也提高到100左右,大大扩

14、展了聚氨酯的应用领域。用浇注型聚氨酯生产鼓形圈,工艺简单,制作成本低,其耐压等级可以达到60MPa甚至更高,保压效果也相当不错,基本可以达到零泄漏。结构设计上作了改进,在密封带的中间增加了润滑槽,广州宝力特液压密封有限公司已将该形式和材料的鼓形密封圈成功应用于煤碳液压支架油缸中,并申请了专利。4结束语从最简单最常用的0形圈的密封原理人手,分析_弹性体在往复运动密封之一的滑环式同轴组合密封中的静密封作用和弹性体独立在往复密封中的动密封作用,介绍了弹性体在油缸密封中的静密封特性和动密封特性,表明弹性体作为最基本的密封圈,其在油缸密封中,既有作为静密封使用的特性,也有作为动密封使用的特性,明确指出了

15、弹性体的压缩变形、弹性变形原理是弹性体在多种往复运动密封中运用的基本原理。密封结构设计人员不仅能够依照最基本的压缩弹性变形原理设计出各种滑环式同轴组合密封,还可以对各种弹性体独立实现动密封的密封圈进行结构设计,均可达到很好的密封效果。参考文献【1】广廷洪,汪德祷.密封件使用手册M北京:机械工业出版社,1994.【2】胨家庚,等流体动压径向橡腔密封圈的密封特性研究J润滑与密封.2004(4.【3】官涛,等.聚氯酯弹性手册M北京:化学工业出版社.2001.(上接第109页压效应引发的摩擦剪切作用,提出了流体摩擦剪切去除材料的机制假设,同时进行了简易标准的肿实验,考察了工艺参数对抛光结果的影响,验证

16、了假设的合理性,最后在实验基础上设计了一个适用于异形表面抛光的实验台。后续抛光工艺的均匀性有待进一步研究。参考文献【l】阵杨,陈建清,陈志刚.超光滑表面抛光技术J J.江苏大学学报,2003.24(5:5559.CHEN Y8ng,CHEN J18IlqiIlg,CHEN z11i弘lls S“p盯哪肿tIlsur岛ce pobsllig Iecbniq咖J.J帆mIm“Jianpu univer越一ly,2肿3.24(5:5559.【2】o w FaIInk.nuid Jet P0li8hitlg:R唧词PI佻嘲ATlalysis J.sPIE.1999,3739(277:7.【3】o w F8hme sh印iog and6ni8h坼0f a9phec越s