彈性蓄能密封圈結構優化設計及驗證*

熊佳慧 王鳳彪 施 華 辛增凱

(1.沈陽理工大學機械工程學院 遼寧沈陽 110159；2.中航工業宜賓三江機械有限責任公司 四川宜賓 644007)

密封件作為機械基礎零部件，對于機械運行設備有至關重要的作用。隨著我國機械、石油、化工裝備技術以及航空航天技術的發展，對密封件提出了愈來愈高的要求，傳統的橡膠O形密封圈已不能滿足低摩擦、抗化學性、長壽命，良好的密封性的要求[1-2]。因此，新型密封技術——蓄能密封技術(也稱為泛塞密封技術[3])已廣泛應用于各類機械工程結構中。例如國際上先進的OmniSeal高功能彈簧蓄能密封圈己被廣泛應用于耐久性、抗化學性和極限工作溫度等要求極高的場合[4-5]。OmniSeal密封圈可以減小摩擦，可在苛刻環境下保證密封性，從而保證設備安全運作和減少設備檢修停工時間。

圣戈班OmniSeal 103A系列密封圈可用于往復式機械動密封中，能在0～20 MPa壓力范圍下穩定工作。本文作者以該系列密封圈結構為參考，提出了密封夾套和與密封溝槽配合尺寸設計方法，總結歸納出密封夾套的設計準則，并且設計了兩款彈性蓄能密封圈并對其進行性能試驗驗證。

1 彈性蓄能密封圈工作原理

如圖1所示，彈性蓄能密封圈是一個帶有聚四氟乙烯(或其他高分子復合材料)夾套的壓力輔助密封裝置，其中特別裝備了一個耐腐蝕的金屬蓄能彈簧[6-7]。當彈性蓄能密封圈裝在密封溝槽內，彈簧受壓促使夾套唇邊緊貼密封溝槽，由此形成密封。彈簧給密封夾套提供永久彈力，并彌補材料磨損及配合零件的偏移或偏心；系統壓力也會輔助密封夾套蓄能，無論在高壓或低壓下，都可實現有效密封[8-9]。

圖1 彈性蓄能密封圈工作原理示意

2 密封夾套與密封溝槽配合尺寸設計方法

在軸線方向，彈性蓄能密封圈同一截面內的彈簧和密封夾套、密封夾套與軸之間的關聯配合尺寸，會影響與之配合的軸、孔零件的預壓縮量和預緊力，從而影響密封性能[10-11]。鑒于此，在三維設計軟件中，使用參數化設計技術，利用函數建立驅動關系，建立密封夾套和蓄能器在軸線方向同一截面內的關聯配合尺寸，能保證設計的效率和準確性，確保快速適應不同密封尺寸的要求[12]。

配合標準的數據關系到產品的性能，該數據的獲取需要依據用戶常用的密封尺寸做大量的試驗。以徑向閥門彈性蓄能密封圈為例，試驗時密封圈與安裝結構的尺寸配合數據可參照國外類似密封圈的設計數據，以常用結構尺寸為數學期望μ，密封圈的配合尺寸為隨機變量X，X服從期望為μ的正態分布。由于有參照數據，通過測繪即可大致得到可行區域，在可行區域內取較小的標準差σ進行試驗。

目前國內已具備比較完善的彈性蓄能密封圈選型指南，由上海阜景密封技術有限公司編寫，可根據有密封需求產品的活塞直徑參照如表1所示的溝槽尺寸開槽，進一步在選型指南上選擇合適的彈性蓄能密封圈。如圖2所示，彈性蓄能密封圈的安裝溝槽建議使用開放式溝槽。若用戶所需安裝尺寸在此范圍以外，可聯系專業廠家進行量身定制。

表1 密封圈安裝溝槽尺寸 單位：mm

圖2 活塞密封溝槽示意

3 彈性蓄能密封圈的結構設計

對于彈性蓄能密封圈而言需要確定的主要尺寸為夾套的內徑、外徑以及高度。夾套外徑一般比需要密封活塞的直徑略大一些，需保證單邊壓縮量在0.3 mm左右；夾套內徑一般比需要密封活塞的溝槽直徑略小一些，需保證單邊拉伸量在0.3 mm左右；夾套的高度一般與溝槽寬度保持一致；其他參數尺寸例如夾套的壁厚、內腔倒圓、蓄能彈簧直徑、預壓縮量等則需按具體工況以及裝配要求而確定。

3.1 夾套設計準則

根據工況和使用壓力來確定夾套的壁厚。工作介質干凈且無潤滑油(裝配時涂抹潤滑脂)，同時工作壓力在3 MPa以下時，建議壁厚為0.35 mm，該種工況下夾套已經通過20萬次高低溫壽命驗證，性能可靠。

在有潤滑油的工況下，壁厚可適當減薄(壁越薄密封性能越好，但使用壽命會降低)，但壁厚一般不可低于0.25 mm。

密封夾套的內徑與安裝軸的配合需保證單邊拉伸量在0.3 mm左右，密封夾套的外徑與安裝軸的配合需保證單邊壓縮量在0.3 mm左右。

密封夾套的高度L(mm)應符合如下公式：

L=1.2+d+0.1d

式中：1.2 mm為底部密封夾套支撐部分的高度；d為蓄能彈簧的直徑(mm)；0.1d為頂部密封夾套高出蓄能彈簧的高度。

當工作壓力為3～20 MPa時，壁厚需在0.35 mm基礎上適當增加，當壁厚超過0.5 mm后，則不能使用凸臺安裝結構，只能采用直筒安裝結構，用擋圈進行定位。

3.2 夾套設計

密封面是由密封元件相互接觸形成阻礙密封介質發生泄漏的面，密封接觸面寬度即為形成這種密封面的有效長度。通常密封接觸面寬度越大，介質越不容易發生泄漏。

根據前文夾套設計準則，設計了兩款密封夾套JQ1和JQ2，如圖3和圖4所示。這兩款夾套的區別主要體現外唇的形狀尺寸上，其中JQ1對外唇面的結構進行了優化，優化后外唇面帶有15°的斜面。該夾套在工作時能夠增大與密封腔內壁的接觸面寬度從而達到提升密封性能的效果，并且夾套外唇厚度也相對增加，可以在一定程度上增加夾套的強度。JQ2的外唇面為圓弧面，該夾套為目前市面上最常見的一種夾套，OmniSeal 103A系列密封圈就采用了這種結構。JQ1和JQ2的外唇面形狀結構不同，導致二者與壁面的接觸面積也不同，二者體現出的密封性能及抗摩擦性能也有差異。

圖3 密封夾套三維結構

圖4 密封夾套二維結構

根據使用工況，文中所選用的夾套材料為各方面性能良好的改性聚四氟乙烯(PTFE)，材料性能指標見表2。

表2 夾套材料PTFE性能

3.3 蓄能彈簧設計

文中設計的蓄能彈簧為傾斜線圈彈簧，也稱斜圈彈簧[13-15]，這種彈簧的彈簧力在很寬的變形范圍內是相對恒定的，能給出可控和恒定的摩擦。蓄能彈簧結構如圖5和圖6所示，其材料為硬狀態不銹鋼316，其性能指標見表3。

表3 彈簧材料316不銹鋼性能

圖5 蓄能彈簧三維結構

圖6 蓄能彈簧二維尺寸示意

4 彈性蓄能密封夾套性能驗證試驗

對于彈性蓄能密封圈而言，其密封性和抗摩擦性是2個相悖的指標，提高其中一種性能指標就會對另一種造成影響。然而對于一些密封性能要求較高的機械零部件，不僅對密封性有要求，還需要提升抗摩擦性。因為提升抗摩擦性可以使彈性蓄能密封圈更加耐磨，從而進一步提高其壽命；另外提升抗摩擦性意味著只需要較小的壓力就可以推動活塞實現往復運動，從而提高設備工作效率。因此良好的密封性和抗摩擦性是評價彈性蓄能密封圈的綜合性能指標。文中從這兩方面開展了彈性蓄能密封圈的性能試驗驗證。

4.1 試驗工裝

為了驗證所設計的彈性蓄能密封圈的性能，需根據現有的OmniSeal 103A系列中一款密封圈安裝要求設計試驗工裝。試驗工裝的材料為鋁合金，試驗工裝如圖7所示。安裝彈性蓄能密封圈一般要求零件硬度達到50HRC，粗糙達到Ra0.4 mm以上[16]。

4.2 試驗方案設計

4.2.1 試樣制作及裝配

文中按上述設計結構分別制作了JQ1和JQ2彈性蓄能密封圈試樣、蓄能彈簧試樣各5個。從JQ1和JQ2試樣中各隨機抽取一個，取2個蓄能彈簧分別裝入其中組裝為彈性蓄能密封圈，分別命名為JT1和JT2，如圖8所示。將組裝好的密封圈唇邊朝向入口裝入圖7所示的試驗工裝中。同時隨機取一個OmniSeal 103A系列同規格密封圈，記為OmniSeal(該彈性蓄能密封圈壓力范圍指標為0～3 MPa)，進行對比試驗。

圖8 彈性蓄能密封圈二維結構

圖9 正向摩擦力試驗結果

4.2.2 試驗方法

(1)正反向摩擦力試驗：按圖7所示裝好彈性蓄能密封圈(試驗時工裝內不裝彈簧)，使用推力計在進口端和出口端分別推動活塞5次，進口端為正向，出口端為反向，記錄推動活塞運動所需的力，然后再取平均值。

(2)密封性試驗：將試驗工裝入口連接密封性試驗臺，出口放入乙醇溶液槽內，向入口分別施加0.01、0.1、0.5、1、2.5、3 MPa壓力的空氣，實測出口的泄漏量并記錄。

4.3 試驗結果

正反向摩擦力試驗結果如圖10和圖11所示。可以看出，JT2密封圈的摩擦力最小，OmniSeal密封圈其次，JT1密封圈的摩擦力最大；同時3種密封圈5次正反向試驗的摩擦力變化不大。可見，3種彈性蓄能密封圈的抗摩擦性能都比較穩定，且文中設計的彈性蓄能密封圈JT2的抗摩擦性略優于國外OmniSeal密封圈。JT1密封圈的設計是為了提高密封性以及夾套的強度，增大了外唇面與密封壁面的接觸面積并且夾套厚度也略有增大，因此抗摩擦性稍差一點。將5次摩擦力試驗結果取平均值，列于表4中。可以看出，在正反2個方向上JT2密封圈和OmniSeal密封圈的摩擦力基本沒有變化，而JT1密封圈正向的摩擦力小于反向。這主要是由于在出口摩擦力試驗中，JT1密封夾套外唇邊有輕微的翻唇現象，導致反向摩擦力略大于正向。

表4 正反向摩擦力試驗結果 單位：N

圖10 反向摩擦力試驗結果

圖11 不同進口壓力下密封性試驗結果

不同進口壓力下密封性試驗結果如圖11所示。可以看出JT1密封圈的密封性優于OmniSeal和JT2密封圈，這主要由于JT1密封夾套外唇邊在裝配后與殼體內壁的接觸面積大于OmniSeal和JT2密封夾套，接觸面積越大，密封性越好。3種彈性蓄能密封圈在微壓狀態下(0.01 MPa)的泄漏量都為0；當進口壓力為0.1 MPa時，泄漏量增加，這是由于在進口壓力為0.1 MPa時活門被推動，夾套產生變形導致泄漏；當進口壓力為0.5 MPa時有微量的泄漏，然后隨壓力的不斷增加泄漏量降低至0，這是由于壓力的不斷增加，彈簧被擠壓補償了夾套的變形，泄漏量逐步減小到0。

5 結論

(1)設計的兩款蓄能密封圈都表現出了優良的性能，對比OmniSeal彈性蓄能密封圈，JT1蓄能密封圈很大程度上提升了密封性能并且抗摩擦性能也沒有大幅下降，JT2蓄能密封圈提升了抗摩擦性能，密封性基本與OmniSeal蓄能密封圈相當。相比較而言，JT1蓄能密封圈更適用于對密封性要求更高的場合，JT2蓄能密封圈更適用于對抗摩擦性要求更高的場合。

(2)彈性蓄能密封圈安裝空間需滿足如下尺寸：密封內徑大于12 mm，密封圈槽寬度大于3 mm、高度大于4 mm。

(3)設計的彈性蓄能密封圈在某一方面性能都略優于國外樣件，綜合性也達到較高的標準，對于對密封性和抗摩擦性要求較高的往復式徑向閥門密封設計有一定的參考價值。同時，設計的彈性蓄能密封圈材料全部使用國產材料并且適用于國內的選型指南，為該類產品的國產化提供了方向。