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1、旋转轴唇形密封圈的设计与选材鲁选才,贺永军,杨维章,吕斌杰,原磊(西北橡胶塑料研究设计院,陕西咸阳712023)摘要:详细叙述了旋转轴唇形密封圈的密封机理,影响因素,设计结构要点及材料选取原则。关键词:橡胶;密封;旋转轴;唇形密封中图分类号:TQ336.4+2文章编号:1005-4030(2010)05-0042-13文献标识码:B一定的专业知识和实践经验还是比较困难的。1油封发展简述2油封密封机理旋转轴唇形密封圈(简称油封)是通过挠性密封唇与轴的过盈接触来防止轴承润滑油的泄漏,增加副唇也可防止尘土和泥水等外来物的侵入。早期油封的唇部材料是由皮革定型而成,二次
2、世界大战后用合成橡胶生产的油封使用量逐渐增加,特别是近50年来,由于机械制造、车辆、航空等工业的飞速发展,对油封提出了耐高低温、耐压、耐特种介质,适应高速旋转轴和延长使用寿命等一系列苛刻的要求,从而促进了油封在材料选用、产品结构、性能试验,质量控制和密封机理等方面深入广泛的研究,大大地提高了油封的密封性能和使用寿命[1]。20世纪60年代初国外研制成有回流效应的流体力学油封,更使油封的技术有了大的飞跃,使那些难以密封的部位获得了良好密封。80年代美国又制造出聚四氟乙烯油封,它不仅适用于超高速(60m/s),而且耐高压、成本低廉。70年代不少国家已制定了油封的国
3、家标准和专业标准。80年代油封国际标准的颁布实施,使油封在世界范围内具有了通用性、互换性,随后各个国家纷纷参照国际标准重新制定新的国家标准。我国在油封研究方面起步较晚,尽管近十几年有了长足进展,但与国际水平相比,在产品结构、橡胶配合及生产工艺上还有较大差距,多数厂家生产的油封不能满足高温、高速等场合。国标GB9877-88虽然按3种结构形式列出了主要结构设计参数,但要想将其应用于实际生产中,没有2.1油膜润滑理论的建立二次世界大战后的一段时间内认为橡胶油封的密封机理是唇与轴直接接触,使油和大气侧之间形成物理障碍,从而阻止了油的泄漏。基于这种设想还提出,只有用足
4、够的力挤压密封唇才能与轴形成良好的密封。实践证明这种认识是不正确的。油封的干摩擦试验至1min后即对密封唇造成严重破坏,这是因为唇和轴之间如果形成“干接触”,那么在轴高速旋转时唇和轴表面之间由于旋转摩擦迅速产生高温从而烧毁密封唇,致使密封失效。实际上油封能在轴高速运转的情况下保持长时间密封,说明唇与轴之间必然有一层润滑油膜[1]。1950年英国乔治安格斯公司工程试验室测出了这种油膜,其厚度为0.0025mm,尔后美国和日本的密封件公司也证明了这种油膜的存在并测出了厚度。NOK公司认为密封唇与轴接触时,由于其材料的弹性模量,唇口能部分地挤入轴表面粗糙的凹陷部位中
5、,如图1所示,油膜厚度可表示为:h′=hmax-h。图1密封唇与轴的接触2.2边界润滑理论1954年又出现了边界润滑理论。该理论认为:新油封在装配使用时,其尖锐的密封刃口在径收稿日期:2009-10-27作者简介:鲁选才(1954-),男,陕西汉中人,教授级高级工程师,主要从事橡胶密封制品的研究开发工作。2010年鲁选才等旋转轴唇形密封圈的设计与选材43向力的作用下与轴接触会产生轻微的变形,当轴旋转时变形部分迅速被磨损成一定宽度的平口(宽度约为0.25～1.02mm),这一过程称为油封的磨合,该过程在短期内即告完成,摩擦力也由起始的最高值迅速下降约50%而稳定
6、下来。通过这一平口即可将油膜控制在边界的润滑状态,从而防止了润滑油的泄漏。唇下很薄的处于边界润滑状态的油膜为什么能防止油的泄漏,曾经有两种解释。一种观点认为,磨合后的密封唇与轴之间的间隙很小,其间很薄的油膜在表面张力的作用下与空气的交界面形成新月形(如图2所示),这种新月形油膜既能防止油从中通过也能防止油膜中的油渗出,故达到密封的目的。如果唇与轴的间隙过大,新月形油膜就会因表面张力降低而破坏,于是发生泄漏。另一种观点认为,密封唇与轴的接触面应尽量窄,这样在径向力的作用下便产生较尖锐的应力分布形式。如图3所示,这种形式的应力分布便能形成边界润滑油膜,同时防止唇下
7、油的轴向流动而实现密封。相反,若唇与轴的接触面较宽,那么接触应力则呈均匀分布,于是出现较厚油膜的流体润滑,油则会产生轴向流动而泄漏。这两种说法都有一定实验和理论依据,而且并不矛盾,要达到理想的密封,在唇和轴之间必须有一层薄而稳定的油膜,既起密封作用又起润滑作用,如果这层油膜被破坏便导致泄漏[1]。2.3交替润滑理论现在一般认为,油封在实际工作时,唇和轴的接触表面上既有干接触,又有边界润滑和流体润滑,三者不断交替变动。所以,既使性能很好的油封也仍然存在着磨损和微量泄漏,就连各种流体动力油封也只是将泄漏的油泵回油侧面不造成向外部的泄漏而已(见图4)。因此,尽量探明
8、破坏边界润滑的因素,并在结构设计和材料
