旋转轴密封的密封机理及密封座的设计与制作

旋转轴密封的密封机理及密封座的设计与制作

在工程机械设计中，旋转轴广泛应用于压路机、分铺机、铣床、旋转开挖等项目的设计中。在工程机械上如何合理恰当的应用这一密封,保证工程机械产品工作可靠,一直是困扰工程设计人员的一个核心问题,对旋转轴密封科学、合理、长寿命的应用是对一个工程机械产品评价的重要指标之一。1轴密封机制是旋转轴1.1临界油膜厚度首先将旋转轴密封圈外圈以过盈配合压入密封圈孔座两者之间形成一个摩擦力F密封唇的内径小于旋转轴的公称直径,产生一个压向轴表面的径向力再加上弹簧骨架形成的合成径向力F(2)动态密封。旋转轴开始旋转时,在轴与密封唇之间形成一狭窄的滑动密封表面的接触区,密封唇的几何形状使接触表面产生不对称的力分布。这时接触区摩擦状态是从静摩擦经过混合摩擦而转变成流体动力润滑状态,流体的动力润滑而形成液体的动力压膜,这是旋转轴密封圈密封的必要条件。由于密封唇唇口控制产生的流体动力压膜,在液体表面张力的作用下,油膜的刚度恰好使油膜与空气接触端形成一个弯月面,从而产生流向介质侧的液体传送效应,防止工作介质的泄漏,实现旋转轴的动态密封效果(见图3)。故油膜厚度直接影响油封的密封性能,最佳临界油膜厚度约为1~3μm,厚度过大会引起泄漏。厚度过小可能产生摩擦引起异常温升以及轴表面出现刮痕以至密封唇过早磨损使密封失效。2旋转轴密封的选择因素2.1旋转轴表面的截面速度d(1)旋转轴密封的允许圆周速度。V—轴表面圆周速度/(m/s);D—旋转轴轴径/mm;n—旋转轴转速/(r/min)。(2)下面是不同材质旋转轴允许的圆周速度(图4)。从上面可以看出在同一轴径条件下,以润滑性能良好的矿物质油为被密封的条件,并利用散热及无压力的情况下,用不同的橡胶材料制造油封,其允许的旋转轴表面的圆周速度。(3)旋转轴密封允许的介质压力。一般的旋转轴密封圈主要是用在介质无压或微压工况下使用,所以油封承受介质的压力的能力是由结构形式以及旋转轴转速和轴表面圆周速度来决定。(见表1)从上表和图4可以看出在选择密封时,在满足旋转轴的圆周速度后还要考虑密封材料的材质问题,一般材质有:丁晴橡胶、丙烯橡胶、硅橡胶、氟橡胶等。2.2旋转轴密封密封的温度由于油封运转中轴表面与密封唇部产生摩擦,所以,密封唇口的温度T在这要指出的是密封唇口的温度是一个允许的连续温度,随着转速的提高,轴表面的圆周速度增大,以及密封唇的压力增大,会使唇口的温度上升,故在考虑带防尘唇时,比不带防尘唇会出现高于20℃的温升,因此,防尘唇口温度比油池温度要有大致40℃的温差。3旋转轴的设计3.1响因素及要求分析(1)轴表面接触区要求。轴表面的接触区,分为单唇(无防尘唇)与双唇旋转轴表面接触区域的设计(图5)。在设计旋转轴密封表面长度时,根据德国DIN3760标准下列分别是单唇和双唇密封旋转轴的涉及范围数值见(表2)。(2)旋转轴的表面硬度要求。其表面硬度对有效的密封和理想的使用寿命具有重要影响因素,根据德国标准DIN3760要求旋转轴表面接触区的硬度HRC45,在圆周速度超过4m/s,则硬度为HRC55-HRC60。旋转轴表面淬火硬度层应不小于0.3mm。(3)旋转轴的表面加工要求。旋转轴表面接触区的硬度加工要求对有效密封和理想使用区寿命具有重要意义,所以轴表面在磨削加工时因避免出现螺旋线纹理方向,最好采用切入磨削或棍子挤压加工,使轴表面加工纹理方向呈现多方向或近似放射形为最佳。轴的配合公差h11和圆度公差:IT8;轴的配合公差:Ra:0.2~0.8μm;轴的圆度公差:Rz:1~4μm轴的表面粗糙度:Rmax≤6.3μm;轴的倒角尺寸:15°~25°。(4)油封安装孔座加工要求。a.油封安装孔座:配合公差H8;b.油封孔座孔内表面粗糙度:①骨架外包橡胶:轴的配合公差:Ra:1.6~6.3μm;轴的圆度公差:Rz:10~20μm;轴的表面粗糙度:Rmax≤25μm。②外露骨架:轴的配合公差:Ra:0.8~3.2μm;轴的圆度公差:Rz:6.3~16μm;轴的表面粗糙度:Rmax≤16μm。4油封的安装安装前,清洗轴表面和安装座孔以及油封,并涂润滑脂或油液。油封的密封唇口,如带防尘唇和密封唇其间隙中应涂敷润滑脂或油液。轴和座孔有棱角的应倒角或倒圆,油封安装中要通过螺纹、键槽、花键等部位,应注意防止密封唇口损伤。油封装入孔座时应选用专用工具推入,以免油封扭曲,如非专用工具或器具安装时则压入力尽可能施加在油封周边上。安装后,油封内圆中心与轴的中心应符合允许的动态同轴度(见图6竖轴表示偏差横轴表示转速)和轴与密封安装座孔之间的静态同轴度(见图7竖轴表示偏差横轴表示轴径)要求。油封可用座孔的端面或孔用挡圈作为轴向定位,但应保证与轴线成直角。5旋转轴系统优化设计的必要性旋转轴密封在工程机械上应用较广,