油封的設(shè)計(jì)與開發(fā)
油封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要根據(jù)是使用條件、裝配條件和環(huán)境條件。設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮密封性能、使用壽命、材料、製造工藝和經(jīng)濟(jì)性等因素。進(jìn)行油封的設(shè)計(jì)時(shí),首先要選擇合適的油封材料,所用的膠料配方要能提供一個(gè)合理的綜合性能,可以滿足耐溫、耐油、耐磨和工藝性能良好的要求。
油封的使用參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)該相適應(yīng)。設(shè)計(jì)參數(shù)和使用參數(shù)的關(guān)係可用表1來說明。
表1設(shè)計(jì)參數(shù)和使用參數(shù)之間的關(guān)係
在進(jìn)行油封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮下圖結(jié)構(gòu)參數(shù)。
(1)唇部過盈量(d-d1)
如果過盈量大,造成唇口過分伸張,容易老化、磨損,縮短使用壽命。如果過盈量小,則密封性能不好。因?yàn)檫^盈量與整個(gè)唇部徑向力有關(guān),所以應(yīng)綜合考慮。表2所示的過盈量數(shù)值僅供參考。
表2不同軸徑的過盈量
(2)彈簧位置“R”值
該數(shù)值在設(shè)計(jì)上是個(gè)理論接觸寬度?!癛”值大,接觸寬度大,摩擦也大?!癛”值小,不利於密封。表3中的彈簧位置“R”值可供參考。
表3不同軸徑的"R"值
(3)腰部長(zhǎng)度
腰部長(zhǎng)度提供的徑向力約為油封唇部徑向力的50%,它對(duì)於保持一個(gè)低數(shù)值的徑向力是重要的,要達(dá)到此目的的一個(gè)方法就是延長(zhǎng)油封腰部的長(zhǎng)度。但是一般油封外徑長(zhǎng)度已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,即使未標(biāo)準(zhǔn)化的裝配空間也限定了這個(gè)寬度,因此,腰部的直線長(zhǎng)度被限製,通過腰部直線部分導(dǎo)出一個(gè)曲線的彎曲截麵可以解決這個(gè)問題。
(4)腰部截麵厚度
實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),即使在低壓情況下也容易造成圖(A)的變形,而單純加厚腰部又不利於唇口的跟隨能力。腰部增厚減弱了彈簧的作用,不如薄腰對(duì)偏心的跟隨能力好。為解決腰部變形和跟隨能力的矛盾,建議將腰部改為圖(B)的形狀。這樣既加強(qiáng)了腰部的剛性又不致於影響對(duì)偏心度的跟隨能力。
(5) 頭頂麵長(zhǎng)度
在有些油封結(jié)構(gòu)斷麵圖形中把頭部頂麵長(zhǎng)度(t)設(shè)計(jì)成與彈簧槽半徑(r)相等,但在使用中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)彈簧自行脫落的現(xiàn)象。為了避免彈簧脫落,設(shè)計(jì)時(shí)要使t大於r,至少要滿足下列關(guān)係:t=4/3r。
(6)彈簧槽的形狀
許多油封在彈簧槽的設(shè)計(jì)上都出現(xiàn)過一個(gè)誤區(qū),將彈簧槽半徑(R)和彈簧圓半徑(r)設(shè)計(jì)成不同數(shù)值,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)有的油封唇上有兩個(gè)接觸帶。因此,當(dāng)R=r時(shí)唇口應(yīng)力分布狀態(tài)*好,隻有一個(gè)接觸帶。但是往往由於模具加工、膠料收縮等原因,在製造上很難做到兩者**相等,隻能維持兩者相差不大。
(7)金屬骨架的設(shè)計(jì)
金屬骨架的主要功用是加強(qiáng)油封的結(jié)構(gòu)剛性。其厚度和配置方法視油封的工作條件和裝配條件而定。
(8)彈簧圈
油封中所用的彈簧有兩種類型,即吊帶式彈簧和板彈簧。兩種彈簧中以吊帶式彈簧應(yīng)用*為普遍。彈簧的直徑、展開長(zhǎng)度、鋼絲直徑纏繞圈數(shù)計(jì)算,可參考有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。
(9)徑向力
徑向力是個(gè)極為重要的參數(shù),它對(duì)油封的使用性能的作用概括如下:
1徑向力太小時(shí),密封性能不好;2徑向力太大時(shí),產(chǎn)生磨耗,縮短使用壽命;3徑向力直接影響接觸區(qū)域的摩擦及溫度,徑向力過大時(shí),摩擦生熱大,加速唇口老化;4軸的磨損也受徑向力的影響;5軸與殼體偏心時(shí),要采取相應(yīng)的徑向力以保證唇口有合適的跟隨能力;6徑向力限製了介質(zhì)的使用壓力,如介質(zhì)壓力過大,則徑向力再增大會(huì)使油封壽命縮短。
油封材料
目前油封的製造材料以合成橡膠為主體,由於其選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是左右油封密封性能和使用壽命的主要因素,因此,正確掌握橡膠的性能以適當(dāng)?shù)剡x擇所用的橡膠材料非常重要。到底選擇哪種橡膠作為油封材料*合適?這應(yīng)根據(jù)油封的關(guān)聯(lián)參數(shù)來決定,即:對(duì)軸的徑向力應(yīng)高到足以防止油封泄漏,低到能維持一定的油膜厚度以保持低的摩擦熱;油封應(yīng)該具有足夠的過盈量,以克服使用中的偏心度影響;唇部在接觸區(qū)的麵積也是決定因素之一。
油封材料直接影響上述三個(gè)參數(shù),因?yàn)椴牧想S時(shí)間和溫度而變化,各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)也隨著變化,比如:隨溫度增加、材料的模量降低、使徑向力發(fā)生變化。熱膨脹、密封介質(zhì)所造成的材料溶脹、膠料的軟硬度等均影響徑向力和過盈量。
基於上述原因,在選擇油封材料時(shí)要考慮如下特性:與密封介質(zhì)相容,不因密封介質(zhì)發(fā)生溶脹、硬化等現(xiàn)象;具有良好的耐熱性、耐磨性;具有適度的彈性,能適應(yīng)軸的粗糙度和偏心度變化。
由於橡膠材料的配方變化很多,新材料不斷出現(xiàn),現(xiàn)有材料也不斷得到改進(jìn)。以下僅對(duì)製造油封*常用的丁腈橡膠、聚丙酸酯橡膠、矽橡膠、氟橡膠和聚四氟乙烯進(jìn)行簡(jiǎn)要說明。
丁腈橡膠
在密封件的製造材料中,丁腈橡膠的用量可能要大於其它彈性體的總和。丁腈橡膠的化學(xué)成份為丁二烯和丙烯的共聚物,丙烯含量在18%~40%之間,分為“低”、“中”、“高”丙烯含量的丁腈橡膠。丁腈橡膠的耐油性,隨丙烯含量增加而提高,但同時(shí)低溫曲撓性卻隨之下降。為了獲得良好的低溫性能,常常要犧牲一些耐高溫燃料和油類的性能。丁腈橡膠具有良好物理性能,其耐冷流、抗撕裂和耐磨性比其它大部分橡膠都好,但是不耐臭氧、天候和日光,這方麵的性能可以通過配方設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。丁腈橡膠適用於石油基油、燃料油、水、矽油和矽酯以及乙二醇的混合物。但不適於與EP油、鹵化碳?xì)浠衔铩⑾趸蓟?、磷酸酯流體、酮類或強(qiáng)酸及某些汽車剎車油等接觸。
聚丙烯酸酯橡膠
聚丙烯酸酯(ACM)橡膠為丙烯酸烷基酯為主體與其他不飽和單體的乳液共漿物。通常采用的丙烯酸烷基酯是乙烯乙酯和丙烯酸丁酯。聚丙烯酸酯橡膠的性能介於丁腈橡膠和氟橡膠之間。由於其分子主鏈上不含有雙鍵,使其具有較高的耐熱、耐臭氧和天候的性能。側(cè)鏈上含氯(Cl)或(CM)的官能基團(tuán),又使其具有優(yōu)異的耐油性,可在170℃~180℃的熱油中使用。該膠的主要特點(diǎn)之一是在178℃條件下耐礦物油,雙曲線油和黃油性能好。耐老化和彎曲龜裂性也很好,適於做油封材料。該膠的主要缺點(diǎn)是加工性能差,混煉時(shí)粘輥,低溫性能不太好,不耐水及蒸汽,對(duì)乙二醇和高芳香族油類等的抗耐性差,壓縮長(zhǎng)久變形大,對(duì)金屬模具和軸腐蝕較厲害。彈性、耐磨及電絕緣性較差。此外,由於它的高度飽和硫化速度較慢。其耐磨性通過適當(dāng)?shù)呐浞娇娠@著改善,但仍比不上丁腈橡膠。
矽橡膠
矽橡膠在比較廣泛的溫度範(fàn)圍內(nèi)能夠保持其機(jī)械性能,在-65℃仍能保持柔性,同時(shí)能在230℃下長(zhǎng)時(shí)間工作。儘管矽橡膠的機(jī)械性能可以通過特殊配合使其得到提高,但它的強(qiáng)力、抗撕裂和耐磨性基本上還是較差的。耐堿、弱酸和臭氧的性能一般良好;但耐油性中等?;瘜W(xué)性能可以用配合劑進(jìn)行改進(jìn),例如通過配合劑使其具有較好的耐油性和耐燃料性。但是一般來說,矽橡膠不宜用於碳?xì)浠衔铮缙?、石蠟、輕質(zhì)礦物油,在上述介質(zhì)中會(huì)引起矽橡膠膨脹和軟化。矽橡膠的主要優(yōu)點(diǎn)是,它在很低的溫度下仍能保持彈性。而且能長(zhǎng)時(shí)間在高溫下不硬化,因此與其它橡膠相比,能在更廣泛的範(fàn)圍內(nèi)用於高溫和低溫密封件。用作旋轉(zhuǎn)密封件,其使用溫度高於普通橡膠。但矽橡膠的價(jià)格比其它大多數(shù)橡膠都高。
氟矽橡膠是價(jià)格更高的一種橡膠。工作性能基本與矽橡膠相同,但是使用範(fàn)圍較窄。氟矽橡膠的主要優(yōu)點(diǎn)是耐油性好,可以與丁腈橡膠相媲美或者是接近丁腈橡膠。所以它既能在丁腈橡膠的使用溫度極限以外使用,同時(shí)又具有矽橡膠所缺乏的耐油性。
氟橡膠
氟橡膠是主鏈或側(cè)鏈碳原子上含有氟原子的飽和聚合物,具有獨(dú)特的優(yōu)異性能。它的特點(diǎn)是耐高溫、耐油、強(qiáng)腐蝕、耐溶劑、耐天候老化、耐臭氧、透氣性低、物理性能良好,可在200℃~250℃下連續(xù)工作。其缺點(diǎn)是低溫性能不太好,壓縮長(zhǎng)久變形大,為改善氟橡膠的壓縮長(zhǎng)久變形,國(guó)內(nèi)外曾做過不少研究工作。
聚四氟乙烯
塑料往往都是半剛性材料,一般不用作密封件。隻有聚四氟乙烯例外,它是一種具有獨(dú)特性能的碳氟化合物,*顯著的特點(diǎn)是耐化學(xué)浸蝕使用溫度範(fàn)圍;與金屬接觸的摩擦係數(shù)低,但是如果不進(jìn)行填充補(bǔ)強(qiáng),它的機(jī)械強(qiáng)度卻不高。聚四氟乙烯一個(gè)很有用的方麵是作複合結(jié)構(gòu)的密封件,例如,可用機(jī)械加工的或模壓的聚四氟乙烯作為低摩擦表麵和耐化學(xué)腐蝕的包覆表麵。
油封材料的性能
油封材料的工作溫度
工作溫度是影響油封使用壽命的一個(gè)極為重要的因素,幾種常用的油封材料的工作溫度如表4。
表4常用油封材料的工作溫度
低溫條件下的性能變化與高溫條件下的性能變化差彆很大。隨溫度的降低幾乎所有的彈性體材料都會(huì)隨屈撓性的喪失逐漸變硬,變形恢複速度變慢。同時(shí),還會(huì)使材料出現(xiàn)一定的結(jié)晶,但結(jié)晶速度很慢,當(dāng)其冇有接近脆化點(diǎn)以前,如果冇有可供替換的彈性體材料,可以通過彈簧力來提供必須的回彈性。在高溫下,所有彈性體都會(huì)喪失彈力,並有變軟的傾向。高溫也會(huì)加速材料的老化,通常是以彈性喪失和硬度、模量逐漸增加的形式發(fā)生的。
油封材料的耐磨性
材料的耐磨性對(duì)油封來說是一個(gè)重要的指標(biāo)。橡膠的耐磨性與它的硬度、抗撕裂性有關(guān),一般隨硬度增加耐磨性得到改進(jìn),抗撕性能好,耐磨性也好。此外,材料的耐磨性能還與材料的摩擦係數(shù),配合表麵的光度等因素有關(guān)。
與密封介質(zhì)的相容性
隨著材料對(duì)液體介質(zhì)的吸收而發(fā)生體積變化,過度的膨脹會(huì)使材料的物理機(jī)械性能下降而不合格。而且過度的膨脹還能引起一定的化學(xué)作用,如溶解,或者引起材料本身某些組分的相互反應(yīng),或者使表麵脆化而導(dǎo)致龜裂。在這種情況下密封介質(zhì)和材料就是不相容的。在某些情況下密封介質(zhì)還有可能將膠料內(nèi)的增塑劑、防老劑等配合劑抽出,這樣就會(huì)改變彈性體的組成,甚至導(dǎo)致其收縮,引起泄漏。油封材料與某些介質(zhì)的相容性可參考表5。
表5油封材料的相容性
綜上所述可見,油封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相當(dāng)重要,即使油封材料很好,如果其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,仍然不能獲得有效的密封。遺憾的是,在油封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方麵,至今還冇有一個(gè)實(shí)用的設(shè)計(jì)原則,結(jié)構(gòu)參數(shù)*優(yōu)化尚有一定的局限性。而在油封材料方麵,雖然各個(gè)公司都有自家的材料標(biāo)準(zhǔn),但是用於油封材料的關(guān)鍵性指標(biāo)遠(yuǎn)不如“O”形圈那樣明確具體。因此,就油封研究領(lǐng)域而論,還有很多尚待解決的問題。