滾動直線導軌副密封件及其應用研究*

趙美玲，馮健文

（廣東凱特精密機械有限公司，廣東江門 529100）

0 引言

密封件是機械裝備中的重要零部件，對單臺機械設備、整套制造系統，整條自動化線生產過程的可靠性、安全性都有很大的影響，是機械設備防漏、節能及控制環境污染的重要基礎部件。近年來，端面改型密封成為密封設計和研究中較熱門的方向。如何設計出合適的密封端面結構、優化機械密封的綜合性能，是從事機械設計與制造的科技人員必須考慮的重要問題之一［1-2］。

密封性能是滾動直線導軌副（簡稱：導軌副）的性能之一［3］。直線導軌副由導軌、滑塊和滾動體組成，滑塊與導軌的配合間除了兩者的溝槽通過鋼球有接觸外，其他部位存在空隙，如圖1所示。直線導軌副工作時滑塊與導軌產生相對運動，在滑塊運動方向的后方的空隙和其他部位形成負壓，塵埃等雜物很容易進入，從而破壞導軌副的潤滑性能，導致其運動受阻，縮短其工作壽命。因此，要確保直線導軌副的使用壽命，必須對有縫隙的地方采取全方位的有效密封，圖2所示為導軌副端部、底部和內部密封結構示意圖。

在某些工況導軌副的密封性能非常重要，而且在不同場合需要使用不同結構的密封件和密封方式，才能起到相應密封效果，因此，導軌副密封件的應用技術是直線導軌副的重要研究技術之一。

本文通過研究滾動直線導軌副不同結構密封件的密封效果，以提高密封件的密封性，這對苛刻工況下提高導軌副精度壽命有重大意義。

圖1 滾動導軌副密封件安裝

圖2 滾動導軌副密封件結構

1 導軌副密封

導軌副密封功能為：防止灰塵、鐵屑、木屑等粉塵，以及切削液和其他雜物進入滑塊內。同時阻止潤滑劑流失，使導軌副處于良好的潤滑狀態，確保其精度壽命。

導軌副密封設計主要包括：針對不同工況設計或選用與之匹配密封方法，密封件的結構以及密封件材料的確定。

1.1 導軌副密封方法

某公司生產的導軌副基本結構如圖2所示，通常根據導軌副工作狀況采取適當的密封方法，確保其工作精度及使用壽命。

（1）采用折疊式或伸縮板式防護罩（圖3），保護整根導軌副，避免外物進入導軌副的空間，這是導軌副的外保護方式，即導軌副防護的第一道防線，本文不作詳述。

圖3 滾動導軌副伸縮式防護罩

（2）采用密封端蓋和密封底片或加上內密封條的密封系統，即第二道防線，主要目的是使導軌副自身具備防護功能。通常情況下，導軌副的密封多以接觸式為主，常用密封端蓋和密封底片組成全外圍密封。在較為惡劣的工作環境下，滑塊凹槽加裝內部密封條，即第三道防線。當異物進入到導軌頂面和滑塊凹槽內時阻擋異物進入滾道內（圖2）。

密封端蓋的設計是確保導軌副密封件的關鍵環節，材料為丁腈橡膠，密封唇緣與導軌截面結構一致，形狀相對復雜，可分單唇和雙唇兩種結構形式。單唇結構如圖4（a）所示，主要用于無或很少的灰塵和雜質的環境。雙唇密封用于有灰塵和雜質的工作環境，結構如圖4（b）所示，外唇（又稱防塵唇）可防止灰塵和雜質等異物進入導軌副內部，以免失去密封效果；內唇防止潤滑油流出，確保導軌副處于良好的潤滑狀態。

在特別惡劣的環境下，端部加裝密封端蓋。

圖4 密封端蓋結構圖

（3）導軌頂面采用3種措施進行密封防護封堵導軌安裝孔：①在導軌安裝孔上堵上螺孔帽，封堵導軌安裝孔，讓安裝孔面與導軌頂面在同一平面，如圖5（a）所示；②在導軌上裝上防護帶板，封堵導軌安裝孔，使導軌頂面光滑平整，如圖5（b）所示；③底鎖導軌的安裝孔由底部開孔，導軌頂面光滑平整，如圖5（c）所示。

圖5 密封防護方法

以上3種防護因其導軌頂面結構及表面特征，密封效果最好是方式③，其次是方式②。方式③因導軌是由底部安裝，應用時受到極大限制，較少場合使用。一般認為方式②是導軌頂面最實用的良好密封方式。

1.2 直線導軌副密封件材料

丁睛橡膠具有良好的耐油性、彈性等，加之價格便宜等特點，在密封件中得到廣泛應用。目前，廠商在橡膠材料配方中加入潤滑劑，可達到減磨目的［4］。本文中的直線導軌副密封件包括密封端蓋、密封底片、內部密封條等采用的材料以丁晴橡膠為主，并以鋼片作為骨架組合而成，結構多樣。對于空間有限的密封或在不同使用工況，酌情選用聚醚酯等其他材料。

1.3 直線導軌副工作速度

通常直線導軌副采用接觸式密封，但在不同的運動速度下其接觸程度（密封過盈量）有所不同。直線導軌副目前使用的速度大多在1.5 m／s以下，所以密封多采用接觸式密封，而對有些應用大于或等于1.5 m／s的場合和工作環境良好的場合，密封端蓋和底、內密封條采取與導軌表面輕微間隙的非接觸式密封。當速度很高時，若使用接觸式密封或過盈量較大的密封，油脂快速被排出，而且導軌表面的油（脂）被刮得很干凈，密封件在高速運動過程中快速發熱。

2 試驗與分析

導軌副廣泛應用于不同行業的加工裝備中，由于工作環境條件和要求各不同，如有些工作環境對導軌副密封要求特別高，如木工機械、玻璃機械、石墨機械等。直線導軌副的使用壽命幾乎決定于其密封性能。實驗工況是模擬多塵、多顆粒木工機械極端環境，即以小片狀及粉狀木屑幾乎覆蓋導軌副的狀況下進行試驗。

2.1 實驗裝置及實驗安排

（1）實驗裝置

實驗裝置為公司設計的HTPM?密封試驗機，其外觀如圖6所示。該試驗機采用同步帶帶動滑塊在裝有木屑的滾筒內來回往復運動，木屑粒度為125目以下，滾筒采用步進電機通過齒輪傳動作圓周轉動，帶動木屑在滾筒內不停翻滾，使滑塊在往復運動時，不停有木屑落到導軌副上，測試滑塊在滿布木屑粉塵的環境下所能達到的密封效果及運行壽命。

（2）試驗條件

滑塊運行速度為20 m／min，行程600 mm，滾筒轉速為30 r／min，潤滑油脂采用鋰皂基2號油脂，木屑粒度為125目。

（3）試驗對象

試驗對象為2根由廣東凱特精密機械有限公司生產的LGS25 AA P0 1×1000 FILL型滾動直線導軌，編號分別為1#和2#。實驗前在導軌注入額定的長城牌鋰皂基2號潤滑脂，實驗過程中不補充潤滑脂。

圖6 HTPM?密封試驗機

2.2 實驗結果及分析

2.2.1 實驗結果

采用兩種不同的措施實驗結果如下。

（1）1#導軌副的密封結構及方法如圖7所示，該導軌的滑塊采用雙唇密封端蓋+內部密封條+密封底片，導軌安裝防護帶板。

試驗結果：在實驗裝置上運行2 080 h后（實驗行程約為2 200 km），實驗裝置報警、停機。

圖7 1#導軌密封及方法方法說明

（2）2#導軌副的滑塊采用單唇密封端蓋+密封底片，導軌上安裝防護帶板，如圖4所示。

試驗結果：在實驗裝置上運行1 056 h后（實驗行程約為1 140 km），實驗裝置報警、停機。

2.2.2 分析

1#和2#導軌副的密封性能實驗不間斷持續運行，直到密封試驗機報警、停機。拆開導軌副可明顯看到，在導軌、滑塊內部溝槽以及反向器內積聚大量木屑，導致滾珠卡死在導軌上，無法運行。由于1#導軌副采用雙唇密封端蓋，并增加了內部密封條，密封效果明顯好于2#導軌副。實驗結果如表1所示，由表可知2#導軌副實驗壽命為1 056 h，比1#導軌副實驗壽命2 080 h減少了約50%。由此可看出，合理選用導軌副的密封方式與密封結構是保證導軌副工作壽命關鍵因素之一。

表1 導軌副試驗結果及失效原因分析

直線導軌副的應用越來越廣泛，工作環境要求也越來越高和多樣性。如在水氣的潮濕環境和腐蝕環境，密封件快速磨損，失去密封作用，同時磨損的殘留物一旦進入滑塊就會污染滑塊內的滾動體，從而影響導軌副的正常運作甚至損壞。導軌可進行表面處理，如鍍鉻等，但要進一步提高滑塊溝槽經鍍鉻后尺寸精度和表面精度較難實現［5］。因此，研制一種在此潮濕腐蝕的環境使用有效的密封方式（裝置）是未來要突破的一個重要方向。

3 結束語

根據不同的工作環境，合理設計／選擇導軌副密封方式是確保其精度壽命的關鍵。

（1）HTPM?密封試驗機上，對采用兩種不同密封防護方式的LGS25 AA P0 1×1000 FILL型滾動直線導軌副進行實驗壽命對比分析。

（2）實驗結果表明：2#導軌副實驗壽命為1 056 h，比1#導軌副實驗壽命2 080 h減少了約50%。由此可看出，合理選用導軌副的密封方式是保證導軌副工作壽命關鍵因素之一。

進行密封性能試驗，尋求最佳密封件結構和最佳密封效果；進行密封材料研究，尋找耐磨損，耐老化，耐高溫，抗腐蝕的材料，開發耐磨、耐高溫、耐腐蝕的直線導軌副密封件是提高導軌副的精度壽命的重要課題之一。