高壓氣體旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用

摘要：針對(duì)紅外光電系統(tǒng)出現(xiàn)的由高壓氣體旋轉(zhuǎn)密封導(dǎo)致的漏氣問(wèn)題，根據(jù)車氏密封原理對(duì)旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下高壓氣體的無(wú)油潤(rùn)滑旋轉(zhuǎn)密封。經(jīng)過(guò)一系列試驗(yàn)及應(yīng)用證明，該結(jié)構(gòu)在可靠性、環(huán)境適應(yīng)性上均滿足相關(guān)要求，滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

關(guān)鍵詞：紅外光電系統(tǒng)；高壓氣體；旋轉(zhuǎn)密封；無(wú)油潤(rùn)滑；車氏密封

中圖分類號(hào)：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2014）02-0035-03

0、引言

某型紅外光電探測(cè)器采用了湯焦式致冷器，其工作氣體為15 MPa的氮?dú)狻Ｓ捎谔綔y(cè)器置于旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，因此必須通過(guò)旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)將高壓氣體從氣源裝置送至探測(cè)器。為了避免湯焦式致冷器的堵死，要求氣源純凈，不能含油，不能有大于5 μm的雜質(zhì)出現(xiàn)，因此該旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)不能使用潤(rùn)滑油，旋轉(zhuǎn)磨損中不能有雜質(zhì)進(jìn)入氣路。平臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度最高可達(dá)180 rpm，壽命要求在80萬(wàn)轉(zhuǎn)以上，結(jié)構(gòu)能經(jīng)受加壓反復(fù)沖擊3000次以上不漏氣。為了避免影響控制回路，要求旋轉(zhuǎn)摩擦力矩小于800 gf·em，產(chǎn)品應(yīng)能在高低溫（-45～70℃）和振動(dòng)環(huán)境下正常工作，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還應(yīng)符合產(chǎn)品小型化的要求，因此密封要求比較嚴(yán)格。

1、方案的選取

1.1 前期方案選型

在產(chǎn)品研制初期，采用了錐面密封的導(dǎo)氣環(huán)結(jié)構(gòu)，通過(guò)后端面加壓使導(dǎo)氣環(huán)與旋轉(zhuǎn)軸的錐面緊密接觸實(shí)現(xiàn)密封，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔且在常溫下工作良好，但在低溫環(huán)境下由于材料冷縮導(dǎo)致壓力出現(xiàn)波動(dòng)，在沖擊加氣試驗(yàn)中出現(xiàn)偶發(fā)的大流量漏氣現(xiàn)象，不能保證產(chǎn)品的可靠性。

隨后試驗(yàn)了雙O型圈柱面密封和格萊圈（O型圈加PTFE擋圈）密封兩種結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)證明其密封性能尤其是在低溫下的動(dòng)密封不能經(jīng)受長(zhǎng)時(shí)運(yùn)動(dòng)的考驗(yàn)，而且摩擦力較大，不能滿足系統(tǒng)要求。

這些試用結(jié)構(gòu)形式在其他場(chǎng)合雖有成熟應(yīng)用，但因?yàn)楦邏骸⒌蜏丶伴L(zhǎng)期磨損的原因，使得結(jié)構(gòu)密封失效，中間試圖通過(guò)改進(jìn)材料低溫l生能，并提高加工及配合精度來(lái)改善，但沒(méi)能徹底解決問(wèn)題。

1.2 車氏密封方案

格萊圈結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)證明使用柱面的密封其低溫穩(wěn)定性比端面密封要好，但是格萊圈的磨擦力矩大，磨損速率較高，而車氏密封方案彌補(bǔ)了它的一些缺點(diǎn)。車氏密封是一種帶有薄唇結(jié)構(gòu)的滑環(huán)式組合密封，考慮摩擦力因素，選擇了其中的齒形滑環(huán)式組合密封形式，如圖1所示。

齒形滑環(huán)與軸緊密接觸，當(dāng)氣壓施加到結(jié)構(gòu)中時(shí)，O型密封圈受壓變形使唇部更緊壓于密封表面，氣體壓力越大其抱軸配合越緊。由于唇部為齒形結(jié)構(gòu)，故與主軸密封接觸面窄，摩擦力小，符合工作要求。此外長(zhǎng)期工作后出現(xiàn)磨損，也因唇部剛性小而易被O型密封圈的彈力自動(dòng)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期工作無(wú)漏氣的目的。

在低溫工作條件下由于整個(gè)滑環(huán)結(jié)構(gòu)比較薄，因此在低溫冷縮量很小，對(duì)0型圈的低溫性能要求大大降低。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在市場(chǎng)上可以選購(gòu)一些車氏密封件，但是其尺寸超出太大，不能滿足空間要求，因此需自行設(shè)計(jì)相關(guān)結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)高壓密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需嚴(yán)格遵循相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，雖然多本機(jī)械和密封參考書上均提到了車氏密封，但是它的設(shè)計(jì)規(guī)范缺少詳細(xì)描述，因此需根據(jù)原理自行設(shè)計(jì)，產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。在前期方案實(shí)施中，滑環(huán)所需改性的PTFE材料已由廠家研制成功，其耐磨性已達(dá)到研制要求，因此對(duì)密封部分較為關(guān)鍵的是滑環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)配合尺寸設(shè)計(jì)。

2.1 滑環(huán)設(shè)計(jì)

滑環(huán)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

薄唇厚度過(guò)厚影響彈性變形，不利于在O型圈作用下壓緊小軸實(shí)現(xiàn)密封，過(guò)薄則加工困難。密封所需要的抱緊力來(lái)源于兩個(gè)方面：一方面來(lái)源于滑環(huán)內(nèi)孔與軸的過(guò)盈：另一方面來(lái)自O(shè)型圈壓縮帶來(lái)的壓緊力。內(nèi)孔與轉(zhuǎn)軸的過(guò)盈產(chǎn)生對(duì)轉(zhuǎn)軸的抱緊力，此應(yīng)力有助于實(shí)現(xiàn)密封，尤其是在氣體壓力輸入建立起始階段。過(guò)盈配合使內(nèi)孔產(chǎn)生彈性變形，此彈性變形有助于內(nèi)孔磨損后自動(dòng)補(bǔ)償，對(duì)增加動(dòng)密封壽命有益。

過(guò)盈量過(guò)小則抱緊力小，對(duì)密封所需抱緊力的貢獻(xiàn)減小，同時(shí)彈性變形量過(guò)小會(huì)影響壽命；過(guò)盈量過(guò)大抱緊力增大，但其塑性變形加劇，同樣會(huì)造成彈性變形量減小，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霾牧侠鞓O限而斷裂，造成密封失效。

從廠家提供的材料拉伸應(yīng)力一應(yīng)變曲線（圖4）可見，拐點(diǎn)約在9 MPa，對(duì)應(yīng)應(yīng)變約為4%，拉斷伸長(zhǎng)率約為46%。過(guò)盈量超過(guò)拐點(diǎn)（約4%）之后，應(yīng)力（抱緊力）增大緩慢，而塑性變形急劇增加，應(yīng)變超過(guò)46%則可能斷裂。

從前面分析可知，如果想兼顧抱緊力和彈性變形，最好將過(guò)盈量選擇在拐點(diǎn)之后并遠(yuǎn)離拉伸極限，即最小過(guò)盈量宜選擇不低于4%。最大過(guò)盈量的選擇首先必須保證遠(yuǎn)小于拉伸極限，避免滑環(huán)斷裂損傷，其次應(yīng)盡量避免導(dǎo)氣環(huán)跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)造成磨損，最后還需考慮安裝的工藝性，避免安裝時(shí)損壞。經(jīng)過(guò)綜合考慮，選擇了過(guò)盈量在4%～14%。

2.2 O型圈壓縮率設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封必然存在磨損，設(shè)計(jì)期望的磨損發(fā)生在轉(zhuǎn)軸與滑環(huán)之間。隨著磨損加劇，產(chǎn)品將逐漸喪失密封功能。結(jié)構(gòu)中滑環(huán)的磨損靠?jī)刹糠盅a(bǔ)償：一部分是過(guò)盈帶來(lái)的彈性變形，另一部分是O型圈的彈性變形。O型圈壓緊力來(lái)源于初始?jí)嚎s率及供氣后氣壓的進(jìn)一步擠壓變形。O型圈壓縮率過(guò)小則不足以提供足夠的壓緊力以及補(bǔ)償導(dǎo)氣環(huán)磨損，過(guò)大則裝配困難，有可能在裝配中損傷O型圈。此外過(guò)大的壓縮量也會(huì)使O型圈低溫硬化程度更嚴(yán)重，減小其在低溫的回彈力。

O型圈最小壓縮率選擇首先應(yīng)當(dāng)保證初始密封應(yīng)力的需要，其次需要考慮磨損補(bǔ)償、高低溫、同軸度的影響。密封推薦壓縮率為8%～23%，考慮到本設(shè)計(jì)中的轉(zhuǎn)軸不同軸，影響比常用狀態(tài)惡劣，考慮0.2 mm的徑向跳動(dòng)帶來(lái)的局部減小最大為0.1mm，對(duì)應(yīng)5.6%，因此最小壓縮率選擇不低于8%+5.6%=13.6%。考慮加工公差控制能力，最大壓縮率為25%，經(jīng)試驗(yàn)，25%的壓縮率未出現(xiàn)安裝損傷，且通過(guò)-50℃、+65℃高低溫試驗(yàn)正常。

2.3 其他設(shè)計(jì)

在壓力建立后，O型圈會(huì)被氣體壓縮緊固，但壓塊對(duì)O型圈的適當(dāng)壓緊有助于實(shí)現(xiàn)壓力建立前的密封。對(duì)于裝配來(lái)說(shuō)壓塊對(duì)O型圈平壓可以讓O型圈更好地與滑環(huán)及內(nèi)壁貼合，保證安裝到位。

O型圈對(duì)滑環(huán)提供密封彈力和補(bǔ)償作用，但本身不能參與動(dòng)摩擦。設(shè)計(jì)選用厚度為2.65 mm的O型圈產(chǎn)品，其分模面選擇45°，這樣不僅可以放寬配合公差，而且可以加大其與內(nèi)壁及滑環(huán)的摩擦力，在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)避免讓O型圈產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，提高產(chǎn)品可靠性。

為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品耐磨的要求，還要注意轉(zhuǎn)軸與滑環(huán)接觸面的粗糙度，由于本設(shè)計(jì)中不使用潤(rùn)滑油脂，因此粗糙度要比常規(guī)密封更小，結(jié)合實(shí)際加工水平，要求不超過(guò)0.4。由于O型圈不滑動(dòng)，因此對(duì)于結(jié)構(gòu)內(nèi)壁的光潔度按普通要求即可。但O型圈裝入時(shí)會(huì)有較大摩擦阻力，操作有所不便，此時(shí)可將O型圈抹上適量純酒精用壓塊平穩(wěn)擠入。

從結(jié)構(gòu)上看，當(dāng)轉(zhuǎn)軸與回轉(zhuǎn)中心軸不同軸時(shí)，O型圈受擠壓變形后仍然可以在一定范圍內(nèi)保持密封效果，但是顯然過(guò)大的不同軸度會(huì)導(dǎo)致密封失效。在本系統(tǒng)應(yīng)用中，轉(zhuǎn)軸在其他配合上進(jìn)行軸向約束，因此在裝配或運(yùn)動(dòng)中可能會(huì)出現(xiàn)較大的轉(zhuǎn)軸繞轉(zhuǎn)情況時(shí)（如圖5），加速滑環(huán)的磨損，甚至導(dǎo)致密封直接失效。因此需在前端加裝導(dǎo)向環(huán)對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行良好的約束，保證其在安裝和運(yùn)動(dòng)時(shí)與旋轉(zhuǎn)中心軸同軸度。考慮運(yùn)動(dòng)摩擦，導(dǎo)向環(huán)材料也選用耐磨且有自潤(rùn)滑性能的改性PTFE材料。

3、試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行了一系列的測(cè)試。考慮實(shí)際加工及裝配精度的波動(dòng)，在公差范圍內(nèi)，試驗(yàn)考慮了各種尺寸、配合極限，使試驗(yàn)?zāi)軌蚍从辰窈笊a(chǎn)線上產(chǎn)品的實(shí)際水平。

首先是安全強(qiáng)度測(cè)試，根據(jù)高壓管路安全規(guī)范按1.5倍額定壓力進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)在25MPa的條件下保壓3 min，其間還以180 rpm進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)品沒(méi)有發(fā)生漏氣情況，在顯微鏡下觀察也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)打壓后零件尤其是滑環(huán)出現(xiàn)損壞跡象。

密封結(jié)構(gòu)中O型圈及導(dǎo)氣環(huán)等非金屬材料對(duì)溫度敏感，因此需要進(jìn)行高低溫性能校核，產(chǎn)品在-50～70℃下進(jìn)行加氣試驗(yàn)，包括反復(fù)突然加放氣、長(zhǎng)時(shí)快速轉(zhuǎn)動(dòng)等。高低溫箱內(nèi)外溫度差異較大，為了避免加氣時(shí)氣體對(duì)結(jié)構(gòu)的加熱（或致冷）影響，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)將氣源瓶放在高低溫箱內(nèi)，以達(dá)到真實(shí)測(cè)試的目的。由于低溫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響最不利，因此在低溫進(jìn)行了重點(diǎn)考核，其間還通過(guò)裝置測(cè)量其轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力，達(dá)到控制系統(tǒng)的要求。經(jīng)過(guò)對(duì)多個(gè)產(chǎn)品三輪的測(cè)試，沒(méi)有出現(xiàn)一例密封失效情況。

按要求進(jìn)行壽命試驗(yàn)，控制產(chǎn)品在180 rpm轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，同時(shí)施加15 MPa的氣壓，大約每10rain進(jìn)行轉(zhuǎn)向的改變，如此循環(huán)進(jìn)行，當(dāng)測(cè)得的泄漏量超過(guò)0.2 L/min時(shí)（從電子流量計(jì)上觀察）即認(rèn)為密封失效。經(jīng)過(guò)對(duì)5個(gè)產(chǎn)品實(shí)測(cè)，在轉(zhuǎn)動(dòng)50萬(wàn)轉(zhuǎn)后進(jìn)行高低溫和高壓試驗(yàn)（25 MPa），均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)漏氣情況，隨后繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)在超過(guò)了180萬(wàn)轉(zhuǎn)后均未出現(xiàn)漏氣情況，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了設(shè)計(jì)使用要求。此外對(duì)磨損的滑環(huán)進(jìn)行觀察，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)粉屑掉落的現(xiàn)象，可以滿足氣路干凈要求。

試驗(yàn)件還通過(guò)了振動(dòng)、機(jī)械沖擊、高低溫存儲(chǔ)等試驗(yàn)，最后結(jié)構(gòu)產(chǎn)品裝入實(shí)際產(chǎn)品內(nèi)，與探測(cè)光電系統(tǒng)一起按總體標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全套相關(guān)試驗(yàn)，均沒(méi)有發(fā)現(xiàn)一例密封失效的情況。與前期方案相比不僅在密封的可靠性上大大增強(qiáng)，而且由于摩擦阻力力矩小，使得控制回路響應(yīng)更為靈敏。

相關(guān)試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)在密封性能、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性上均滿足產(chǎn)品要求。

4、結(jié)論

根據(jù)車氏密封原理設(shè)計(jì)的高壓氣體旋轉(zhuǎn)密封裝置，實(shí)現(xiàn)了無(wú)油潤(rùn)滑、小摩擦力、高速旋轉(zhuǎn)和高壓氣體密封，其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了產(chǎn)品的要求，可靠性和環(huán)境適應(yīng)性達(dá)到了航空標(biāo)準(zhǔn)的要求，解決了某紅外光電系統(tǒng)中的漏氣問(wèn)題。隨著框架式紅外平臺(tái)的發(fā)展，這種旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)對(duì)于需跟隨平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的致冷器供氣系統(tǒng)具有很重要的意義，對(duì)于其他高壓供氣（或液壓傳動(dòng)）產(chǎn)品的應(yīng)用也有良好的借鑒意義。