大型密封圈的安裝和密封效果檢測方法研究

陳竟飛

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

彈簧蓄能型密封圈的應用越來越廣泛，它利用彈簧蓄能原理增加預緊力達到最好密封的效果，因此對密封面和同心度有較高要求。在對大直徑的彈性體進行安裝時，由于安裝均勻性不好，容易使大直徑彈性體局部變形損傷，進而造成個別點滲漏，對工程應用來說這是一個值得研究的課題，因此，通過一定的安裝和檢測手段確保其密封性能就顯得尤為重要，也是其應用擴展的基礎。本課題最早的需要來源于浸油式大型輸電滑環的動密封設計，雖然該裝置已經采用了新型環形結構從而大大減少了漏油對設備造成的危害，但頂部的局部滲漏仍然是亟待解決的難題。

目前，蓄能型密封圈在國外應用較為普遍，其大直徑的應用多半是在特定的海上或其他惡劣環境中，而解決其安裝、預緊和檢測的方法則少有介紹。在有的文字介紹中，對蓄能密封圈的應用、安裝測試方法都是概念性的。本文是在實際應用的基礎上進行提煉和總結，為國內使用者提供實用方案和注意事項，同時也對大型密封圈的定制起一定的規范作用。

從工程實際出發，介紹在防腐環境下，大型密封圈的安裝固定方式和密封狀態的檢測裝置，對大型回轉裝置的動密封提供了設計思路。

1 彈簧蓄能密封圈的特點

隨著這幾年密封應用的廣泛和技術進步，彈簧蓄能型密封圈和旋轉軸封的應用也越來越趨于成熟，其使用環境、使用場合也越來越多樣化。比如：高溫密封(工業油缸，汽車發動機)、低溫密封(液氮，液化石油氣，液化二氧化碳，液化氧氣等)、高壓密封(壓力機，空壓機，高壓水切割機等)、高速密封(往復運動油缸)。組合運動密封場合(如伺服油缸、風電變槳油缸、大型動力滑環)的衛生安全也是一大特點，目前食品和藥品的密封已基本采用該種形式。

彈簧蓄能密封圈雖然看起來結構簡單，其實不然，不同公司產品的使用壽命可能差別很大，在國際上以法國圣格班品牌和技術為最佳，國內生產廠家眾多，具備獨立設計能力的廠家并不多，即具備大口徑定制能力的廠家不多，廣州加士特密封技術有限公司、上海瑞密和旭隆密封等是具備設計和定制生產的廠家。

不同工況下密封件的結構、密封材料配方的選擇和差異化的制造工藝對生產廠家都非常重要，但設備方更關注的是如何確保安裝到位并保證密封性能，生產廠家往往只是給定了密封圈所要求的硬度、粗糙度和同心度的要求，而對于如何安裝和正確使用密封圈則是工程設計人員需要解決的問題。

2 密封圈的安裝要求和安裝方式選取

彈簧蓄能密封圈一般要求安裝零件硬度達到HRC50.粗糙達到Ra0.4以上[1]，同心度則和泄漏量息息相關，其配合安裝要求很高，基本原理如圖1所示。

圖1 基本原理圖

大型設備在防腐要求下(比如海洋環境)外部通常使用不銹鋼為主體材料(316 L，雙相不銹鋼等)，要達到硬度要求是有困難的，若采取鍍涂方式成本將大大提高，而且不易作進一步表面光潔處理，因此我們采用了新的設計思路，將動密封設計成一整套密封圈的組件，而組件材料則以能夠適應密封圈的安裝要求為第一要素，采用軸承鋼為主體材料，見圖2密封組件的形成。

圖2 密封組件的形成

該組件在設備安裝中則分別對動環、靜環兩個部分采用靜密封的方式安裝就很容易達到密封要求，見圖3所示的安裝基本形式。

圖3 安裝基本形式

根據其基本原理，密封圈在密封組件上的安裝有2種方式，可以裝在上下兩個部分，也可以根據實際要求采用雙密封方式。一個密封槽內安裝一正一反2個密封圈，正裝的密封圈可以保證油的密封，防止油外溢，反裝的密封圈可以保證外界風、雨、雪的侵蝕[2]。正反裝的密封圈保證即使有負壓存在，也能起到良好的密封效果，極大地減少了熱脹冷縮對密封性能的影響，也可組合設計成一個密封圈以方便安裝。

總體上可以將密封組件看成1個異形軸承，只是根據尺寸大小、精度和同心的要求采用不同的方式而已，比如液動軸承和滑動軸承，組裝式采用滾動軸承，精度由低到高可以是深溝球軸承、角按觸軸承、四點接觸軸承、交叉滾子軸承等等，分裝式可以采用滑動軸承的方式，軸瓦可以是帶自潤滑的耐磨材料[3]。

依據動密封失效的分析結果，對密封件和軸承進行重新設計選型，為便于安裝，將原方案中2個反向安裝的密封圈合并成1個雙向開口并帶有蓄能彈簧的密封圈，密封件材料為抗老化耐磨材料。截面如圖4所示。

圖4 截面圖

同時，修改動密封技術方案，并更改軸承設計。新方案提高了密封槽壁面的技術要求，密封壁面粗糙度要求達到Ra0.1～Ra0.2。

考慮到軸承廠現有的加工技術無法滿足我們對密封件安裝的要求，于是決定將原密封軸承的密封槽部分與軸承分開設計。將密封槽單獨作為零件加工，安裝在軸承上，組合成一個帶轉動密封的組件。這樣便于將密封槽部分單獨處理。同時可拆卸式結構使得密封件的維護和更換更加便捷。

密封槽部分分為內環和外環2個零件，該部分密封槽壁面的加工采用豪克能工藝，代替傳統的內/外圓磨加工工藝。毫克能工藝具有效率高、成本低、適用性廣的優勢，尤其適用于大尺寸零件的表面改性及鏡面加工。

3 大型密封圈的安裝探討

首先定義一下大型密封圈的概念，這里將直徑500以上的密封圈定義為大型密封圈，主要基于兩個原因，一是為保證密封性能不能將蓄能彈簧獨立裝配；二是由于密封圈主體材料較軟，無法用簡易方法壓入。

由于密封圈的安裝結合面要求較高，而壓入過程中密封圈和蓄能是對壓入起反作用的，因此密封圈導入槽的設計就很有必要，見圖5所示導入槽的結構。

圖5 導入槽的結構

導入槽的高度設計為密封圈高度的1.5～2倍，傾斜角要確保在密封圈自由狀態時能夠輕松地放入槽內，利用壓緊圈、壓緊法蘭導向軸和絲桿螺母組成的專用壓緊工裝，均勻壓入密封圈，確保無局部變形，密封圈唇口無損傷，見圖6所示的壓入裝置原理圖。

圖6 壓入裝置原理圖

從圖6可以看出，隨著密封圈尺寸的增大，為確保均勻壓入，該壓入裝置的機構會越來越復雜，要求也越來越高，甚至隨著壓入力的增加，會將手動壓入改為自動壓入，值得一提的是，當密封圈壓入到位后，其導入槽可根據裝配需要進行二次加工或局部修改，建議盡可能地予以保留。

4 大型動密封密封效果的檢測裝置

密封效果的檢測對于大型密封圈的安裝效果及在運動過程中的密封狀態很有必要，其簡單易行，能避免在設備整機上做測試的復雜，另外在樣機的設計中，通過對密封效果的檢測可以達到不斷改進的作用，主要是壓緊槽和壓緊力的設計，反過來也能根據測試結果對密封圈的改進提出要求。圖7為檢測裝置示意圖。

圖7 檢測裝置示意圖

密封測試裝置是對獨立密封組件的檢測，它讓密封效果有了定量分析，保壓時間和不同壓力下的滲油量是判斷可行性的主要指標。對700 mm直徑的深溝球軸承動密封進行試驗驗證。為此，專門設計了一套具有保壓功能的旋轉裝置，對動密封進行旋轉耐磨壽命試驗。

動力部分的技術要求：

轉速0～5 r/min可調；

工作方式：1軸電動；

轉角范圍：可無限制連續圓周旋轉，順時針逆時針均可；

回轉速率平穩度：±6%；

密封空腔保壓壓力：100 kPa。

按以上要求，制定檢測方案如圖8所示。該裝置可以模擬軸承密封的實際安裝條件，并能在進行旋轉耐磨測試的同時進行保壓測試。圖8為動密封保壓壽命測試裝置。

圖8 動密封保壓壽命測試裝置

圖9 內部空腔結構

圖10 內部空腔結構

密封軸承與圓形底座組成一個保壓腔體，內部充氣或變壓器油。除轉動部分采用動密封外，其余部分均為靜密封。

5 結束語

大型回轉裝置的密封性能在設計方面主要取決于3個要素：一是密封圈的材質，它決定了密封圈的耐磨性與彈性；二是蓄能型彈簧的蓄能量，即單位面積的正壓力；三是接觸面的剛度和光潔度。大型回轉密封圈在安裝上必須解決兩大問題：一是密封圈安裝壓入力的均勻性，即無損傷；二是密封圈轉動過程中的均勻性，即無跳動。

因此在使用者和生產廠家之間就有了溝通的目標，而以上的幾個參數，既有理論值又有統計的經驗值，一般通過對這幾個參數的調整達到一個最優的安裝方法。而動密封效果的檢測裝置既解決了實際應用的檢測，也為設計過程中的參數選擇提供了參考。

綜上所述，對大型密封圈的安裝和檢測裝置的論述是在實際過程中對設備出現問題的分析和解決，它解決了密封圈生產廠家和設備應用方之間的銜接問題，擴展了對蓄能型密封圈的應用，對具體設計提出了注意事項和方法。