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

所以說，式（3）就是常用液壓滑動密封件密封機理的理論表達式。其實液壓滑動密封件[如：○形橡膠密封圈、唇形密封圈（V形密封圈除外）及組合密封圏]安裝在密封溝槽中都是依其本身的彈性、塑性或彈塑性變形對密封表面產生較高的初始接觸應力σr0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σr1，結果附加接觸應力σr1與初始接觸應力σr0一起共同堵塞兩相對運動表面之間的泄漏通道，阻止壓力液體的泄漏。這就是滑動密封件的密封機理。

4.2 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靜密封，在相互接觸的密封面之間放置密封墊，并通過螺紋連接件施壓的裝置稱為密封墊密封。其密封機理就是螺紋連接件對密封表面（包括密封墊）的施壓，即密封墊的密封比壓（施壓密封作用力與密封表面的面積之比）大于壓力液體的壓強，就能實現對壓力液體的密封。否則，就會產生泄漏。由于非金屬密封墊的物理機械強度較低，密封表面所承受的額定比壓（壓強）較低；而金屬密封墊的物理機械強度較高，密封表面所承受的額定比壓（壓強）較高。所以說非金屬密封墊的密封壓力較低，僅用于無壓力液體和低壓液體的密封；金屬-非金屬密封墊的密封壓力較高，常用于中高壓液體的密封；金屬密封墊的密封壓力最高，常用于高壓及超高壓液體的密封，這正是目前超高壓水射流切割機的液壓傳動系統（壓力高達400MPa）所用的密封墊幾乎都是金屬密封墊的主要原因。

4.3 填料密封件

常用的填料密封件（俗稱盤根），就是將具有柔軟性的盤根裝入填料腔后，通過壓蓋的軸向壓緊作用，由于盤根的柔軟性，迫使盤根徑向延展變形并對密封表面（圓柱軸表面）產生接觸應力，形成密封作用。與此同時，盤根中浸漬的潤滑劑被迫擠出，并在密封接觸面之間形成潤滑油膜。考慮到盤根與圓柱軸表面的接觸狀態并不是均勻一致的，因此，盤根與圓柱軸的接觸部位僅形成“邊界潤滑”狀態，類似于滑動軸承工作時形成“邊界潤滑”的狀態，俗稱“軸承效應”；而未接觸的凹形部位則形成小油槽，并儲存較厚的油膜，因此，盤根與圓柱軸的接觸部位與非接觸部位就組成了許多不規則的迷宮（俗稱“迷宮效應”），從而阻止壓力液體的泄漏。這就是填料密封件的密封機理。

顯然，填料密封件欲獲得良好的密封作用，須同時維持良好的“軸承效應”和“迷宮效應”。也就是說，欲獲得良好的密封作用，須維持填料密封件良好的潤滑和適宜的壓緊作用。若潤滑不良，或對填料密封件壓得過緊都會中斷密封接觸表面（圓柱軸表面）的潤滑油膜，造成填料密封件與軸之間處于干摩擦或半干摩擦狀態，最終導致填料密封件的嚴重磨損而泄漏，甚至燒軸等，在實踐生產中也是屢見不鮮的。因此，需要經常對填料密封件的壓緊程度進行調整，以便填料密封件中的潤滑劑（浸漬劑）運行一段時間流失后，再擠出一些潤滑劑，同時又能補償因體積變化所造成的壓緊力松馳等。顯然，填料密封件經過多次擠壓后，最終將導致填料密封件中的潤滑劑（浸漬劑）枯竭，所以說須定期更換填料密封件是非常重要的。

值得注意的是為了維持填料密封件密封所需的潤滑油膜（液膜）和帶走摩擦熱及冷卻相關零部件等，有意使填料密封件密封處少量的泄漏存在也是非常重要的。因此，目前填料密封件通常只用于低壓低速的往復運動密封和回轉密封等工況。

4.4 靜密封和回轉運動用擠壓密封件

（1） 靜密封用擠壓密封件

目前，液壓傳動系統中靜密封使用最廣泛的擠壓密封件主要是○形橡膠密封圈和○形空心金屬密封圈。其密封機理與滑動密封用○形橡膠密封圈的密封機理一樣，但靜密封用○形橡膠密封圈的壓縮變形取得更大一些，因此，從式（3）可知，如果○形橡膠密封圈及其密封溝槽的設計制造以及材質選用適當的話，那么○形橡膠密封圈在靜密封中可以實現無泄漏的絕對密封。所以說，○形橡膠密封圈可應用于真空、低壓、中壓和高壓等靜密封狀態，甚至超高壓的靜密封狀態。由此可見，○形橡膠密封圈是目前液壓機械設備中廣泛應用的靜密封元件，通常液壓系統的工作壓力<32MPa時，○形橡膠密封圈都能實現真空、低壓、中壓和高壓等狀態的無泄漏靜密封。但當工作壓力≥32MPa，甚至高達400 MPa時，為了避免○形橡膠密封圈的一部分被迫擠入密封間隙（如圖11所示） 中去造成損傷等影響其密封效果，須在高壓側設置一合成樹脂擋圈（截面為矩形，如圖12所示），如：尼龍擋圈、聚甲醛擋圈和填充聚 四氟乙烯擋圈等。同時，為了便于合成樹脂擋圈裝入密封槽及便于○形橡膠密封圈的均勻受壓變形等，擋圈需在徑向方向切割有與半徑方向成30～45°的斜槽，且槽寬t為1～2mm（如圖13所示）。

由式（3）可知，由于○形空心金屬密封圈金屬材料的極限比壓及物理機械強度比非金屬材料（如：橡膠、合成樹脂等）大很多，因此，在相同的條件下，與○形橡膠密封圈相比，○形空心金屬密封圈對密封表面產生更大的表面接觸應力，堵塞兩相對運動表面之間的泄漏通道，達到阻止無壓力液體或壓力液體泄漏的作用。所以說，○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，通常可用于直徑達600 mm，壓力高達400MPa，溫度為-250～+600℃的工況。

（2） 回轉運動用擠壓密封件

回轉運動用擠壓密封件主要是指液壓傳動系統回轉運動用○形橡膠密封圈。機械傳動所形成的旋轉（回轉）運動通常是采用油封和機械密封，但油封的使用壓力較低，而且設計制造比○形橡膠密封圈復雜得多，生產成本高，目前，油封僅適用于防止軸承室中的潤滑油向外界的泄漏和（或）防止外界雨水、雪粒、固體塵埃顆粒等侵入軸承室而危害軸承的正常工作等。機械密封雖然可用于高壓（40MPa）、高速（線速度達50m/s）及高溫（400℃），但其結構復雜體積龐大，而且生產成本非常高，僅適用于石油、化工等重型機械設備的回轉密封。因此，液壓傳動系統的旋轉運動通常采用○形橡膠密封圈進行密封。endprint

總的來說，回轉運動用○形橡膠密封圈的密封機理與滑動密封用○形橡膠密封圈的密封機理一樣。但回轉運動用○形橡膠密封圈的壓縮變形取得更小一些，這是因為橡膠材料的特殊反常性能——焦耳效應的作用，即在拉伸應力的狀態下，若旋轉軸與○形橡膠密封圈之間因摩擦發熱，那么○形橡膠密封圈將會急劇地收縮。因此，設計計算回轉運動用○形橡膠密封圈時，關鍵在于根據橡膠的性能來合理地選用○形橡膠密封圈的結構參數——拉伸量（周向）和壓縮率（徑向）。通常需按○形橡膠密封圈的內徑選取旋轉軸的軸頸尺寸，然后再按○形橡膠密封圈外徑的壓縮量為○形橡膠密封圈截面尺寸的4%～5%來選取其相配合的密封溝槽的徑向尺寸及其制造公差等級。同時，盡可能地采用受熱量影響小的特種合成橡膠材料（如：氟橡膠和硅橡膠等）制作回轉密封用○形橡膠密封圈，并充分考慮○形橡膠密封圈安裝處的通風冷卻散熱等作用。只有這樣，旋轉軸工作時，○形橡膠密封圈因受熱收縮正好抱緊旋轉軸而達到回轉密封的作用，從而阻止無壓力液體或壓力液體的泄漏。

4.5 V形密封圈

常用的V形密封圈就是V形夾織物橡膠密封圈，可用于油缸的密封（孔密封）和柱塞的密封（桿密封），其密封機理一樣。V形夾織物橡膠密封圈通常由支承環、密封環和壓緊環三部分組成，在自由狀態下，V形夾織物橡膠密封環的唇部外徑大于所需密封油缸的內徑（如圖14所示），其唇部內徑小于密封件安裝溝槽的直徑。因此，V形夾織物橡膠密封圈裝入密封件溝槽后就會產生一定的變形。考慮到壓緊環和支承環的作用，這種變形僅出現在密封唇部的尖端，并在接觸部位產生較大的表面接觸應力。即使不施加壓緊力，密封唇部也能緊密地貼緊其密封表面，阻止無壓力液體或壓力液體的泄漏。同時，V形夾織物橡膠密封圈與唇形密封件一樣，當壓力液體的工作壓力升高時，壓力液體擠壓其密封唇部，促使密封唇部與密封表面貼合得更緊密，實現更加可靠的密封。這就是V形夾織物橡膠密封圈的自密封作用，這也是 V形夾織物橡膠密封圈通常被看作是唇形密封件的主要原因。

當液體壓力很高時，可將多個V形夾織物橡膠密封環疊加使用，通過壓緊環的作用，迫使多個V形夾織物橡膠密封環的密封唇部始終最大限度地貼緊密封表面而實現密封作用，壓緊力可根據介質壓力進行調整。即使有介質泄漏并且通過第1道密封環時，其壓力將降低很多，通過第2道密封環的唇部時，其壓力再一次降低，如此多次作用后，其泄漏的介質壓力近似等于零，值至最后泄漏被阻止。所以說，V形夾織物橡膠密封圈的密封機理就是唇部的自密封作用和填料密封的共同作用的結果。因此，與填料密封件一樣，V形夾織物橡膠密封圈的摩擦阻力較大并隨工作壓力的增大和密封環數目（通常為3～5）的增多而增大，所以說，V形夾織物橡膠密封圈常用于中壓（≥10MPa）、高壓（<63MPa）液壓傳動系統采用，但其相對運動速度通常較低。

值得注意的是，支承環和壓緊環與密封表面之間有間隙，為了保持液壓油缸的運動精度，對支承環和壓緊環的設計制造精度要求高。因此，支承環和壓緊環可采用夾織物橡膠或合成樹脂（如： 尼龍、聚甲醛和填充聚四氟乙烯等）等材料制造，但通常采用錫青銅質支承環和壓緊環時，其密封效果更好一些。

4.6 防塵密封件

目前，液壓缸活塞桿常用防塵圈有A型防塵圈、B型防塵圈（俗稱金屬骨架防塵圈，外圏為金屬骨架）、C型防塵圈（也稱雙唇防塵圈）和TZF型組合防塵圈（也稱雙唇組合防塵圈）。液壓馬達等旋轉軸常用油封有B型（內包骨架型）油封、W型（外露骨架型）油封、Z型（裝配型）油封、FB型（帶副唇內包骨架型）油封、FW型（帶副唇外露骨架型）油封和FZ型（帶副唇裝配型）油封。它們通常是由彈性良好的橡膠材料制造的，并且油封的密封唇部還有彈簧等外力的輔助作用，其密封機理與唇形密封件一樣，安裝在密封溝槽內，因設計要求和制造誤差等形成的過盈量迫使防塵圈產生變形促使防塵密封唇部始終貼緊密封表面，并對密封表面產生適宜的初始接觸應力，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去。

值得注意的是，某些低壓液壓傳動系統及氣壓傳動系統通常采用價格低廉的毛氈防塵圈（方形或梯形），方形或梯形的毛氈防塵圈浸漬液壓油后再安裝在密封溝槽后因過盈量迫使它們產生變形促使方形或梯形毛氈防塵圈始終貼緊密封表面，并對密封表面產生適宜的初始接觸應力，阻止外界雜質（如：雨水、水蒸氣、酸霧、冰雪和粉塵等塵埃顆粒）侵入某些低壓液壓傳動系統及氣壓傳動系統中去。顯然，其密封機理等同于填料密封件的密封機理，但其防塵能力與接觸的緊密程度有關，接觸壓緊得越緊密，防塵能力越好，但摩擦阻力也較大。

5 液壓密封件的探討

（1） 通過選用液壓密封件在安裝溝槽中的適宜過盈量，確保液壓密封件始終貼緊密封表面，提高其密封性能。

陶瓷工廠生產設備常用液壓密封件，無論是用作靜密封件、滑動密封件還是回轉密封件，液壓密封件安裝在密封溝槽內，都應過盈而產生變形促使密封唇部對密封表面產生較大的接觸應力，實現常用液壓密封件的靜密封作用。因此，實踐生產中，應根據所選用液壓密封件的結構形式、規格尺寸、使用環境條件及其推薦的密封溝槽的規格尺寸，選擇適宜尺寸精度的密封溝槽，確保液壓密封件安裝后，因過盈而產生變形，即： ▽B<0和▽D≤0。也就是說，設計選用液壓密封件的密封溝槽尺寸時，應使液壓密封件在徑向產生適宜的壓縮變形（▽B<0）以及在周向（圓周方向）也產生微小的壓縮變形（▽D≤0），結果增加其徑向尺寸的壓縮率，由式（3）可知，液壓密封件可獲得對密封表面產生較大的接觸應力，增強了液壓密封件的密封作用。否則，如果液壓密封件在周向（圓周方向）產生微量拉伸時（▽D>0），反而降低了其徑向尺寸的壓縮率，那么液壓密封件對密封表面產生的接觸應力較小，減弱了液壓密封件的密封作用。所以說，為了提高液壓密封件的密封作用，設計制造其密封溝槽時，通常選用在周向（圓周方向）產生微小的壓縮變形（▽D≤0）的液壓密封件，盡量避免選用在周向（圓周方向）產生微小的拉伸變形（▽D>0）的液壓密封件，并選用適宜的徑向過盈量，能大幅度地提高液壓密封件的密封性能。endprint