陶瓷工廠常用液壓密封件的密封機理及其探討

蔡祖光

摘 要：本文介紹了陶瓷工廠常用液壓密封件的材質及其構造，詳細論述了陶瓷工廠常用液壓密封件的密封機理。

關鍵詞：液壓密封件；材質；構造；密封機理；探討

1 前言

液壓傳動裝置具有體積小、重量輕、慣性小、響應快、運動速度大、運行平穩、能傳遞較大的作用力等特點，而且還具有操作控制方便和易于實現各工序的自動化等優點，所以液壓傳動裝置已廣泛應用于國防和工農業生產各部門。如：日用陶瓷工廠廣泛使用的輸送陶瓷泥漿的液壓柱塞泵、陶瓷泥漿脫水操作的液壓壓濾機，以及燒成日用陶瓷制品隧道用的液壓推車機，墻地磚工廠廣泛應用的輸送泥漿進入噴霧干燥器制粉使用的液壓柱塞泵、粉料壓制成形用的全液壓自動壓磚（坯）機及加工陶瓷拼花制品應用的（超）高壓水射流切割機以及衛生潔具行業注漿成形廣泛應用的低壓快排水、中高壓排水設備等。然而，這些生產設備的液壓傳動系統晝夜不停地頻繁快速運動（如：陶瓷墻地磚磚坯的壓坯運動）。因此，在生產過程中稍有疏忽易于損傷損壞液壓密封件，從而造成液壓油的泄漏。液壓油的泄漏不僅影響陶瓷工廠液壓傳動裝置的工作性能和生產效率，而且還污染生產環境和浪費資源等。因此，積極研究和探討陶瓷工廠常用液壓密封件的密封機理，努力提高陶瓷工廠常用液壓密封件的密封性能，能最大限度地減少墻體陶瓷工廠生產設備因常用液壓密封件的損傷損壞而造成的泄漏，對提高陶瓷工廠生產設備的利用率及企業的經濟效益等具有非常重要的作用。

2 液壓密封件的材質

液壓傳動系統中的密封材料大致可分為固態密封材料和液態密封材料兩大類，其中，固態密封材料又可大致區分為非金屬密封材料和金屬密封材料。非金屬密封材料又可細分為石墨、皮革、石棉、毛氈、軟木、玻璃纖維、陶瓷纖維、聚酯纖維、酚醛纖維、芳綸纖維、錦綸纖維、碳纖維、橡膠、石棉橡膠和樹脂型密封材料等；金屬密封材料主要是銅、銅合金、鋁、鋁合金、鑄鐵、低碳鋼、不銹鋼、耐熱合金鋼及貴金屬等。液態密封材料主要是指橡膠基膠粘劑、樹脂基膠粘劑和無機膠粘劑以及用作軟填料密封件浸漬用的浸漬劑和添加劑等。目前，用于制作常用液壓密封件的材料主要是橡膠、合成樹脂、石棉、石棉橡膠、金屬密封材料和金屬—非金屬組合型密封材料。

2.1 橡膠

橡膠是指在使用溫度范圍內處于高彈性狀態的高分子材料，它在較小的外力作用下能產生很大的變形，當外力的作用去除后，橡膠又能立即恢復到原來的狀態。橡膠可大致區分為天然橡膠和合成橡膠兩大類。天然橡膠是橡膠樹上流出的膠乳，經凝固、干燥等工序制成的彈性團狀物。天然橡膠的主要成份是橡膠烴，橡膠烴就是異戊二烯的聚合物。由于天然橡膠的產量及其質量遠遠不能滿足工農業生產和人們生活的要求。因此，人們利用化學合成的方法制造出與天然橡膠性質相似的或更優越的橡膠就稱之為合成橡膠。

合成橡膠是目前應用最廣泛的高彈性密封材料，其品種繁多，但在液壓傳動系統中廣泛應用的密封材料主要是丁腈橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠、氟橡膠、乙丙橡膠、聚氨酯橡膠、聚丙烯酯橡膠、氯醇橡膠和氯磺化聚乙烯橡膠等。

2.2 合成樹脂

通常用于制作液壓密封件的合成樹脂主要是聚甲醛、尼龍及填充聚四氟乙烯等，但目前應用最廣泛的合成樹脂仍是填充聚四氟乙烯。填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯的單體中加入適量的石墨、二硫化鉬、青銅粉及玻璃纖維等填充物質而構成的高分子材料。由于聚四氟乙烯分子中的碳原子被鹵簇元素中負電荷最強的氟原子緊密包圍起來。因此，聚四氟乙烯的化學穩定性非常好，并具有良好的耐油性、耐壓性和耐磨性，使用溫度常為-100℃～260℃。同時，因聚四氟乙烯分子之間的范德華力又非常小，顯然其粘性及摩擦系數也極小，即使在少油或無油潤滑的條件下也能正常工作，所以，填充聚四氟乙烯特別適宜制作高壓及超高壓（≥32MPa）高速運動（≤5m/s）液壓動密封件及其導向支承元件等。

2.3 石棉及石棉橡膠

石棉不是礦物學的名詞，而是商業性的術語，它是由六種具有商業用途的礦物的總稱，即指具有高強度、高撓性、耐酸堿、耐火燒、絕熱、絕緣和可紡織性的礦物產品。用于制造液壓密封件的石棉材料主要是石棉橡膠板、油浸石棉盤根和石棉橡膠盤根。石棉橡膠板主要制作低壓的密封墊，石棉盤根和石棉橡膠盤根主要制作低中壓填料密封件（也稱盤根密封件）。

2.4 金屬密封材料

目前，金屬密封材料通常制作液壓傳動系統的密封墊和○形空心金屬密封圈等靜密封件，如：紫銅、銅合金、鋁、鋁合金、低碳鋼、不銹鋼等塑性材料。特別是高壓和超高壓系統（如：工作壓力高達400MPa的超高壓水射流切割機）中的所用靜密封幾乎都是采用金屬材料密封墊，例如：采用紫銅墊進行靜密封。

2.5 金屬—非金屬組合型密封材料

目前，金屬—非金屬組合型密封材料主要用于制作液壓傳動系統的密封墊。如：不銹鋼帶纏繞式墊片（不銹鋼帶—特制石棉帶、不銹鋼帶—柔性石墨帶、不銹鋼帶—聚四氟乙烯帶）和金屬包墊片（包皮材料為；銅、鋁、軟鋼、不銹鋼和蒙乃爾合金，填充材料為：石棉、玻璃纖維、陶瓷纖維、聚四氟乙和柔性石墨）的壓縮性和回彈性好，易于制造及價格便宜，通適常用于法蘭連接液壓管路結合面之間的密封。同時，組合密封墊（低碳鋼——橡膠）適用于礦物油、水等螺紋連接液壓管路中，供焊接式、卡套式、擴口式管接頭及螺塞等結合面密封采用。

3 液壓密封件的構造

目前，液壓傳動系統中常用液壓密封件按密封結合面之間是否具有相對運動，可大致區分為靜密封件和動密封件。若密封結合面之間產生往復運動，那么其使用的密封件稱為往復運動液壓密封件（簡稱滑動密封件）；顯然，若密封結合面之間產生旋轉運動（也稱回轉運動），那么其使用的密封件稱為旋轉運動液壓密封件（簡稱回轉密封件）。因此，常用液壓密封件按其構造形式可大致區分為：密封墊、填料密封件、自封式壓緊型密封件（也稱擠壓型密封件）、自封式緊密型密封件（也稱唇形密封件）、組合密封件及防塵密封件共6類。

3.1 密封墊

液壓傳動系統中常用密封墊主要有石棉橡膠密封墊、橡膠密封墊、金屬密封墊及金屬-非金屬密封墊。密封墊主要用于法蘭連接液壓管路和螺紋連接液壓管路結合面之間的密封，它是依賴外力（螺紋連接的壓緊力）作用下迫使密封墊產生彈性、塑性或彈塑性變形，實現結合面之間的密封。其中非金屬密封墊的密封壓力較低，金屬-非金屬密封墊次之，金屬密封墊的密封壓力最高。

3.2 填料密封件

填料密封件可以制作成多種結構形式，如：方形截面的浸漬纖維繩或合成橡膠等模壓成形的密封環。但常用的填料密封件，俗稱盤根，通常是指采用方截面纖維繩纏裹在軸或桿件上，在壓緊力的作用下實現密封作用的液壓密封件。其實盤根是由較柔軟的線狀物編織而成的截面為正方形的條狀物，然后將其裝填在軸和填料箱之間的空腔內，在填料蓋的軸向壓緊作用下，迫使盤根向徑方向延展而堵塞密封間隙，實現密封的作用。通常盤根密封的摩擦阻力大，磨損快，僅適用于制作密封壓力較低、速度較小的低壓低速液壓缸用滑動密封件和低壓低速回轉密封件。如密封壓力要求較高、速度較大的中速中壓液壓缸用滑動密封件，已逐漸被唇形密封件所取代。

3.3 擠壓型密封件

目前，液壓傳動系統常用的擠壓型密封件主要是○形橡膠密封圈（也稱圓形密封圈）、方形（矩形）橡膠密封圈[也稱方形（矩形）密封圈]、X形橡膠密封圈（也稱星形密封圈，如圖1所示）和○形空心金屬密封圈（也稱圓形空心金屬密封圈，如圖1所示）等，它們具有結構簡單、易于設計制造、安裝和拆卸方便及成本低廉等優點，因此它們是液壓傳動系統中廣泛應用的靜密封元件和動密封元件（○形空心金屬密封圈除外，它只能用作靜密封件），用作滑動密封件時，具有雙向密封作用，但為了減少摩擦阻力和避免○形橡膠密封圈的扭曲變形（俗稱翻轉）等，○形橡膠密封圈用于動密封時，很少單獨使用，通常需與唇形密封件或其它結構形式的密封件組合使用，以提高其密封性能和使用壽命。

○形空心金屬密封圈就是將薄壁金屬管（如：壁厚為0.25～0.5mm，最大也不超過1 mm的低碳鋼管、鋁管、銅管、不銹鋼管和蒙乃爾合金管等）彎成圓形后，再把接口焊接起來所成的金屬薄壁圓環。主要是依靠薄壁金屬管壓扁后，其斷面的彈性變形所產生的回彈力迫使結合面達到嚴密接觸，從而實現密封的。因此，○形空心金屬密封圈適用于高溫、高壓、高真空度和低溫等環境工況條件下的靜密封。

3.4 唇形密封件

目前，液壓缸常用的唇形密封件主要是V形夾織物橡膠密封圈、U形夾織物橡膠密封圈、Y形橡膠密封圈及YX形橡膠密封圈等。唇形密封件都是依其本身（橡膠）的彈性、塑性或彈塑性變形對密封表面產生較高的初始接觸應力，阻止無壓力液體的泄漏。當液壓傳動系統工作時，壓力液體擠壓并有效地撐開其密封唇部，使之進一步緊貼密封表面而產生較高的隨壓力液體的壓力增高而增高的附加接觸應力，結果附加接觸應力與初始接觸應力一起共同阻止壓力液體的泄漏。但考慮到唇形密封件的密封唇部接觸面積較小，易于磨損，磨損后又顯著降低其密封作用，因此，對于工作壓力要求較高、速度較大的高速高壓液壓缸用滑動密封件，已逐漸被組合密封件所取代。

3.5 組合密封件

目前，液壓傳動系統常用的組合密封件主要是由自封式壓緊型密封件（也稱擠壓型密封件）中的○形橡膠密封圈與矩形密封圈、Y形密封圈及其他特殊形狀密封圈的疊加使用構成的組合密封件或其他特殊形狀的組合式密封圈等。墻體屋面材料生產設備常用的組合密封件主要是蕾形密封圈（○形橡膠密封圈與Y形夾織物橡膠密封圈的疊加使用，如圖2所示）、鼓形密封圏[鼓形夾織物橡膠密封圈與兩個填充聚四氟乙烯支承環（俗稱L形環）的疊加使用，如圖3所示]、同軸密封圏（如：格來圈、斯特封，如圖4和圖5所示）和滑環式組合密封圏（如：C形滑環組合密封圈，如圖6所示）等。

組合密封件也是依其彈性元件（如：○形橡膠密封圈）的變形對密封表面產生較高的初始接觸應力，阻止無壓力液體的泄漏。當液壓傳動系統工作時，壓力液體進一步擠壓○形橡膠密封圈，迫使其彈性、塑性或彈塑性變形并始終最大限度地擠壓橡膠型或填充聚四氟乙烯型特殊形狀的密封圈，使之進一步緊貼密封表面而產生較高的隨壓力液體的壓力增高而增高的附加接觸應力，結果附加接觸應力與初始接觸應力一起共同阻止壓力液體的泄漏。并且摩擦阻力較小，工作平穩，又易于安裝、拆卸和維修等。因此，目前陶瓷工廠生產設備等中高壓、中高速、頻繁運行的液壓缸傳動系統中廣泛應用的液壓密封件幾乎都是組合密封件，如：蕾形圈、鼓形圈、格來圈、斯特圈及滑環式組合密封圈等。

3.6 防塵密封件

防塵密封件就是防止和阻止外界雨水、水蒸氣、酸霧、冰雪和粉塵等塵埃顆粒通過相對運動耦合面侵入液壓傳動系統中去的密封件。用于液壓缸活塞桿等伸縮運動外露零部件的防塵密封件通常簡稱為防塵圈，而用于液壓馬達旋轉軸等旋轉運動外露零部件的防塵密封件通常簡稱為油封。防塵圈和油封一般是由彈性良好的橡膠材料制造的，因為彈性良好的防塵密封唇始終貼緊相對運動耦合面，能達到阻止外界雜質（如：雨水、水蒸氣、酸霧、冰雪和粉塵等塵埃顆粒）侵入液壓傳動系統中而污染液壓油，加速液壓密封件的磨損導致其密封失效，從而造成液壓油的泄漏，嚴重影響液壓傳動系統的工作性能等。

（未完待續）