常用的流體密封件主要包括三大類(lèi),即O形圈、往復運動(dòng)用唇形密封件和旋轉軸用唇形密封件(油封)。橡膠密封件的結構設計與其應用的密封機理密切相關(guān)。
油封
油封唇部材料的性能對油封的工作性能有極其重要的影響。它決定著(zhù)油封的工作溫度范圍、摩擦、磨損性能、耐介質(zhì)性能和密封性能等。所以,作為油封唇部材料的橡膠材料,除應滿(mǎn)足適當的機械強度和硬度,耐高低溫、耐工作介質(zhì)等一般要求外,還必須具有良好的撓性以使其在軸運行時(shí)對軸有良好的跟隨性和對軸的不規則性、偏心和震動(dòng)有良好的補償能力。同時(shí)具有高度撓性的密封唇對被密封的軸所需徑向力也小,因而能減小摩擦力和摩擦生熱。
流體動(dòng)力學(xué)油封的特點(diǎn)是在軸旋轉時(shí)同時(shí)具有流體動(dòng)力效應,即能用粘滯剪切力抵抗泄漏活動(dòng)力,把泄漏的油向油腔方向回送?;赜图羟辛蚧赜屯屏Φ漠a(chǎn)生是靠油封的空氣側唇面附加的突出或凹下的花紋,如斜條紋、圓形或半圓形花紋、波形紋等。這些花紋在唇口均布并于唇口相切,于是唇與軸表面接觸時(shí)不僅形成一個(gè)平滑的接觸帶,而且還產(chǎn)生與軸接觸帶呈一定角度的接觸分枝區。當軸高速旋轉時(shí),這些花紋便像螺桿泵一樣把通過(guò)刃口漏到空氣側的油泵送回油腔,從而避免了油從密封部位泄漏到外部。
油封是旋轉軸密封件的最重要的品種,又稱(chēng)徑向唇形密封件。它的主要用途是通過(guò)撓性密封唇與軸或殼體接觸來(lái)防止軸承潤滑油的泄露,也可通過(guò)它防止外部塵土和泥水等外來(lái)物的侵進(jìn)。
油封裝配使用時(shí),其尖銳的密封刃口在徑向力的作用下與軸接觸會(huì )發(fā)生稍微的變形,當軸旋轉時(shí)變形部分迅速被磨損成一定寬度的平口(這一過(guò)程稱(chēng)為油封的磨合,在很短時(shí)間內即告完成),通過(guò)這一平口即可將油膜控制在邊界潤滑狀態(tài)(厚度約0.0025mm),從而防止了油的泄漏。
O形圈及類(lèi)O形圈密封件
O形圈在動(dòng)態(tài)密封中有兩個(gè)主要缺陷,即扭轉損傷和初始動(dòng)摩擦阻力很大。為克服這兩種缺陷產(chǎn)生了非圓斷面O形圈和復合結構O形圈。例如:O形圈的主要代用品是方形或矩形密封圈,在靜態(tài)密封中很普遍。在動(dòng)態(tài)密封中和O形圈相比的優(yōu)點(diǎn)是,斷面能完全填進(jìn)溝槽,因而在壓力交變時(shí)其機械位移很??;其抗扭轉破壞和擠出的能力由于其摩擦接觸面大,使其只適用于低速往復運動(dòng),不適合做旋轉運動(dòng)。另外根據不同的使用需求,還有D形圈、三角形圈、菱形圈、X形圈、H形圈等等。
O形圈是一種斷面呈圓形的圓環(huán)形密封件,在所有密封制品中是產(chǎn)量最大,標準化、系列化程度最高,使用最成熟的一類(lèi)密封制品。
O形圈在流體密封中按其工作狀態(tài)可分為靜態(tài)密封和動(dòng)態(tài)密封。
當O形圈用于往復運動(dòng)密封時(shí),其密封機理也是自密封作用。但由于O形圈處于運動(dòng)狀態(tài),而且流體壓力是從O形圈兩面交替施加的,所以該過(guò)程極為復雜。通過(guò)活塞桿密封件的實(shí)驗,基本熟悉了往復運動(dòng)O形圈密封和泄露的機理。假如將O形圈和軸的表面放大,其表面會(huì )是凹凸不平的,尤其是O形圈的接觸面則以其突出處與軸接觸。當軸開(kāi)始向右運動(dòng),由于軸將與其黏著(zhù)的液體帶進(jìn)O形圈和軸之間的楔形狹窄區,這部分的液體壓力將大于工作流體壓力。假如這個(gè)壓力大于O形圈的接觸壓力,O形圈便會(huì )被頂起,液體就侵進(jìn)到凹處,從而造成泄露。當軸向相反方向運動(dòng)時(shí),因軸的運動(dòng)方向與壓力方向相反,沿軸運動(dòng)方向的泄露就減小,兩者之差就形成了往復運動(dòng)中向外部的泄露。一般來(lái)說(shuō),液體黏度越大,軸速越大,這種滑動(dòng)效果也就越大,泄漏也就越嚴重。
從高分子角度看,橡膠O形圈材料的密封行為類(lèi)似于黏度很高的流體,它具有把壓力傳遞到與之接觸的表面上的特性。當O形圈裝在溝槽中使其斷面受到一定程度的壓縮(通常為8%-25%)時(shí),便產(chǎn)生一個(gè)初始接觸應力。在被密封流體(空氣、水、油等)的壓力極低或即是零的情況下,在高的流體壓力下,O形圈被壓向與壓力方向相反一側的溝槽角落,并產(chǎn)生堵塞流體泄露通道的應力分布,起到密封作用。即在大的流體壓力下,密封的接觸壓力即是O形圈的初始接觸應力與流體壓力產(chǎn)生的接觸應力之和。接觸壓力總是稍大于液體的工作壓力,所以極大地進(jìn)步了密封效果。
唇形密封件及防塵圈
防塵圈是一類(lèi)特殊的密封件,它在液壓和氣動(dòng)缸中不作為主要密封面而作為一種防塵裝置使用,用于往除往復活塞桿漏在缸體以外部分表面上所附著(zhù)的塵土、灰砂、粉塵、雨水及冰霜等污物,以保證機械內部的清潔。
防塵圈的斷面最簡(jiǎn)單的為矩形,其材料通常是毛氈、硬質(zhì)膠或其他半硬的彈性材料。使用時(shí)需要施加預負荷,防塵效果取決于預負荷的大小和防塵圈工作面的性質(zhì)。但是,隨著(zhù)負荷的增加,固然增加了擦拭作用,但同時(shí)也增大了摩擦和磨損。
唇形密封件是指受壓呈唇形并具有壓力強化密封作用的一類(lèi)密封件或襯墊。其結構形式很多,除標準的V形、U形、Y形、L形和J形外,還有由這些外形演變而來(lái)的各種特殊外形。在材料上主要是橡膠或夾布橡膠;聚四氟乙烯用于某些化學(xué)制造設備;金屬材料更是在上述材料都不能滿(mǎn)足要求的場(chǎng)合,如超高溫、超低溫及核輻射環(huán)境下使用。這類(lèi)唇形密封件一般局限于往復運動(dòng)使用,但其中有些類(lèi)型也可用于靜態(tài)或旋轉密封。
唇形密封件在無(wú)外壓下先安裝在溝槽中,這時(shí)密封唇受活塞桿或缸壁的壓縮產(chǎn)生一個(gè)初始接觸壓力。在外壓作用下,唇形密封件的密封唇被壓向被密封表面,壓力通過(guò)襯墊傳遞到其接觸點(diǎn)上,唇緣接觸點(diǎn)的壓力始終大于流體壓力,于是防止了流體泄露。唇形密封件無(wú)論在高壓或低壓下都有很高的密封效率,而且對磨損有一定的補償作用,不會(huì )造成很快泄漏。