液压与气动密封的作用与分类.docx

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液压与气动密封的作用与分类

一、密封的作用与分类

    1.密封的作用及其意义

   在液压与气压传动系统及其元件中，安置密封装置和密封元件的作用，在于防止工作介质的泄漏及外界尘埃和异物的侵入。

设置于密封装置中、起密封作用的元件称为密封件。

   液压与气压传动的工作介质，在系统及元件的容腔内流动或暂存时，由于压力、间歇、粘度等因素的变化，而导致少量工作介质越过容腔边界，由高压腔向低压腔或外界流出，这种“越界流出”现象称为泄漏。

   泄漏分为内泄漏和外泄漏两类。

   内泄漏指在系统或元件内部工作介质由高压腔向低压腔的泄漏；外泄漏则是由系统或元件内部向外界的泄漏。

   单位时间内泄漏的工作介质的体积称为泄漏量。

   对于气压传动系统，由于其工作介质为压缩空气且工作压力不高，因此气体的泄漏问题往往得不到应有的重视。

其实，气压传动系统中的泄漏同样会造成系统压力下降，能耗加大，动作紊乱，或造成真空系统中的负压建立不起来；气缸进气口的泄漏将造成气缸低速运行的爬行，等等。

     2.密封的分类

   密封的作用是阻止泄漏。

造成泄漏的原因主要有两方面：

一是密封面上有间隙；二是密封部位两侧存在较大压力差。

消去或减小任一因素都可以阻止或减小泄漏。

因此，密封的方法通常有：

 1）封住结合面的间隙；

 2）切断泄漏通道；

 3）增加泄漏通道中的阻力；

 4）设置作功元件，对泄漏介质造成压力，以抵消或平衡泄漏通道的压力差。

   根据被密封的偶合面在设备运转时有无相对运动，可将密封分为静密封和动密封两大类。

另外按照密封件的制作材料、结构形式和密封机理等还可进一步细分。

密封的分类见表5-1。

二、密封件的材料

      1.对密封件材料的要求

   密封件材料应满足密封功能的要求。

由于被密封的工作介质以及设备工作条件的不同，密封件材料应具有不同的适应性。

   密封材料的一般要求：

 1）摩擦因数小，耐磨性好；

 2）抗腐蚀性能好，能在工作介质中长期工作，其体积和硬度变化小；

 3）与密封面贴合的柔软性和弹性好；

 4）耐臭氧性和耐老化性好，使用寿命长；

 5）加工性能好，价格低廉。

      2.常用橡胶密封材料

   常用的橡胶密封材料主要是合成橡胶。

由于合成橡胶的胶种较多，且各自的性能也各不相同。

因此，在选用时除要求其必须满足上述使用要求外，还应根据不同胶种的特性和使用范围，参照密封件的工况条件，进行正确选择。

常用橡胶密封材料所适应的介质和使用温度范围见表5-2

      3.常用合成树脂密封材料

   常用合成树脂中，使用最多的是聚四氟乙烯树脂。

在聚四氟乙烯中掺入不同的充填材料，可改善和提高其综合物理化学性能，从而扩大了它的使用范围。

因此，聚四氟乙烯树脂密封材料可适用石油基液压油、水-油乳化液、水-乙二醇基液压液、磷酸脂基液压液等工作介质的密封。

常用合成树脂密封材料的主要特点和应用范围见表5-3。

     4.常用金属密封材料

   金属密封材料主要用于静密封。

常用金属密封材料的种类和应用范围见表5-4。

三、常用密封件

   除间隙密封外，密封都是利用密封件使偶合面间的间隙控制在工作介质能通过的最小间隙之下。

该最小间隙取决于工作介质的压力、粘度、分子量等。

   接触式动密封中的压型密封，是通过由预压缩力和介质压力产生的压紧力，在密封件与偶合面之间形成接触压力，介质压力愈高，接触压力愈大，使密封件与耦合面紧密贴合，以阻塞泄漏通道，达到自密封。

而自封式自紧型密封，则是利用密封件自身变形所产生的反压力也随介质压力的增加而增大， 从而达到自密封。

   本章介绍常用的O形、Y形和V形密封圈的主要性能、密封原理及其应用。

        三

（1）、O型密封圈

     1.主要性能

   O形密封圈是一种截面为圆形的橡胶圈，如图5-1所示。

其材料主要为丁腈橡胶或氟橡胶。

O形密封圈是液压与气压传动系统中使用最广泛的一种密封件。

它主要用于静密封和往复运动密封。

   其使用速度范围一般为0.005~0.3m/s。

用于旋转运动密封时，仅限于低速回转密封装置。

如液压挖掘机的中央回转接头的分配阀动密封机构。

一般O形密封圈在旋转运动密封装置中使用较少。

   O形密封圈与其他形式密封圈比较，具有以下优点：

 1）结构小巧，装拆方便。

 2）静、动密封均可使用。

 3）动摩擦阻力比较小。

 4）使用单件O形密封圈，可对两个方向起密封作用。

 5）价格低廉。

   但是，当设备闲置时间过久而再次起动时，O形密封圈的摩擦阻力会因其与密封副耦合面的粘附而陡增，并出现蠕动现象。

      2.用于静密封时的密封原理

   O形密封圈装入密封槽后，其界面承受接触压缩应力而产生变形.

   当没有介质压力时，密封圈在自身的弹性力作用下，对接触面产生一个预接触应力Po，如图5-2a所示。

   而当容腔内充入有压力的介质后，则在介质压力p的作用下，O形密封圈发生位移，移向低压侧，且其弹性变形进一步加大，填充和封闭了密封间隙δ。

此时，作用于密封副偶合面的接触压力上升为p0+p=pm，从而大大增加了密封效果，如图5-2b所示。

  当容腔内的介质卸压后（p=0），则由于O形密封圈仍具有初装时的预接触应力p0，故仍能保证密封性能。

此即所谓O形密封圈的自密封作用。

      3.用于往复运动密封时的密封原理

   O形密封圈在往复运动滑移面上的接触情况，如图5-3所示。

此时O形密封圈的动密封作用主要还是依靠其预压缩和加压后作用于耦合面上的接触应力，且由于O形密封圈自身的弹性而具有磨损后自动补偿的能力。

   此外，还存在其他复杂情况：

   当用于液体介质密封时，由于液体的压力、粘度及运动速度等因素的作用，沿滑移面和密封件间形成一层粘附力极强的边界层液体膜，如图5-3a所示。

这层液体薄膜始终存在着，它亦起一定的密封作用。

   当滑移面向外伸出时，液体膜随之一起探出，如图5-3b所示。

   当滑移面缩回时，液体膜则被密封件阻留于外侧。

随着滑移面往复次数的增加，阻留于密封件外侧的液体膜日渐增厚，最后形成液滴，从滑移面滴下（见图5-3c）。

这就是O形密封圈用于往复运动密封时会产生泄漏的原因。

   因此，O形密封圈不宜应用于滑移面需频繁往复运动的密封装置中。

     4.应用

   O形密封圈一般安装在外圆或内圆上截面为矩形的沟槽内起密封作用，如图5-4所示。

   O形密封圈良好的密封效果很大程度上取决于O形密封圈尺寸与沟槽尽寸匹配的正确性，世界各国的标准对此都有较严格的规定。

   密封装置设计时若O形密封圈的压缩量选择过小，或加工沟槽时公差波动使压缩量趋小，装配后就会引起泄漏；如果压缩量选择过大，或加工沟槽时公差波动使压缩量趋大，则会导致O形密封圈橡胶应力松弛而形成泄漏。

   同样，若装配后O形密封圈拉伸过度，也会因其过早老化而引起密封装置泄漏。

   O形密封圈的拉伸量α和压缩率εc可按下列公式计算:

   O形密封圈的拉伸量和压缩率的选用范围，见表5-5。

   O形密封圈安装沟槽的宽度为O形密封圈直径的1.3~1.5倍，即b=1.3~1.5d2。

静密封时，压缩量较大，应取大值；往复动密封时，应取小值，旋转动密封时，取b=1.05~1.1d2，并应考虑摩擦生热引起密封圈内径收缩，从而影响密封质量的问题。

   当被密封的介质工作压力较高时，O形密封圈会因产生弹性变形而被挤进密封耦合面间的缝隙，引起密封圈破坏。

   解决方法:

   当动密封工作压力超过7MPa或静密封工作压力大于32MPa时，应在O形密封圈低压侧安置挡圈；若双向交替受介质压力，则于密封圈两侧各加一个挡圈，如图5-6所示。

   在经常承受脉冲压力的密封装置中，也应采用挡圈，以防止密封圈异常损耗。

挡圈的材料一般为聚四氟乙烯树脂，或尼龙1010和尼龙6等。

三、常用密封件

         三

（2）、Y型密封圈

      1.主要性能

   Y形密封圈的截面呈Y形，是一种典型的唇形密封圈。

   按其截面的高、宽比例不同，可分为宽型、窄型、Yx型等几类。

   若按两唇的高度是否相等，则可分为轴、孔通用型的等高唇Y形密封圈和不等高唇的轴用Y形密封圈和孔用Y形密形圈,如图5-7所示。

   Y形密封圈广泛应用于往复动密封装置中，其使用寿命高于O形密封圈。

   Y形密封圈的适用工作压力不大于40MPa，工作温度为-30~+80℃。

   工作速度范围：

采用丁腈橡胶制作时为0.01~0.6m/s；采用氟橡胶制作时，为0.05~0.3m/s；采用聚氨酯橡胶制作时，则为0.01~1m/s。

Y形密封圈的密封性能、使用寿命及不用挡圈时的工作压力极限，都以聚氨酯橡胶材质为佳。

   Y形密封圈的性能特点：

 1）密封性能可靠；

 2）摩擦阻力小，运动平稳；

 3）耐压性好，适用压力范围广；

 4）结构简单，价格低廉；

 5）安装方便。

       2.密封原理

   Y形密封圈依靠其张开的唇边贴于密封副耦合面，并呈线状接触，在介质压力作用下产生“峰值”接触应力，压力越高，应力越大。

当耦合件以工作速度相对运动时，在密封唇与滑移耦合面之间形成一层密封液膜，从而产生密封作用。

密封唇边磨损后，由于介质压力的作用而具有一定的自动补偿能力。

   图5-8所示为带有副唇的轴用Y形密封圈。

每次往复运动后，在其主、副唇之间都会残留下微量液体（工作介质）。

随着往复运动次数的增多，残留液体将充满主、副唇之间的空间，形成一个特殊的“围困区”。

   当主唇处于工作状态时，由于“围困区”内液体不可压缩，其间的压力远远高于小腔内的工作压力（见图5-8）。

此时，副唇与耦合面的接触应力，也远远大于主唇与耦合面间的接触应力。

因而，当轴外伸时迫使“围困区”内的液体压回小腔，从而形成了可靠的密封状态，提高了Y形密封圈的密封性能。

“围困区”内的压力越高，则副唇对耦合面的接触应力越大，密封性能也就越良好。

      3.应用

   安装Y形密封圈时，唇口一定要对着压力高的一侧，才能起密封作用。

   为了防止在高压状态下，Y型密封圈的根部因材质塑性变形而被挤入密封耦合面的间歇，故应控制滑移耦合件间的配合间隙δ的大小，见图5-9a。

对于工作压力大于16MPa的Y形密封圈，为保证其使用寿命，防止密封圈的根部被挤入配合间隙，应在密封圈根部处安装挡圈，如图5-9b所示。

   为了防止Y形密封圈在往复运动过程中出现翻转、扭曲等现象，即保持其运动平稳性，可在Y形密封圈的唇口处设置支承环，如图5-10所示。

   支承环上开有均布的导流小孔，以利于压力介质通过小孔作用到密封圈唇边上，撑开双唇，保持Y形密封圈的正确动态姿势，保证其良好的密封性能。

   对于宽型Y形密封圈，其截面的宽度为高度的二倍或二倍以上。

这种密封圈不会在沟槽里产生翻转、扭曲，可不安装支承环。

       三（3）、V型密封圈

     1.主要性能

   V形密封圈的截面呈现V形，也是一种典型的唇形密封圈。

   根据制作的材料不同，可分为纯橡胶V形密封圈和夹织物（夹布橡胶）V形密封圈等。

   V形密封圈的密封装置由压环、V形密封圈和支承环三部分组成，如图5-11所示。

   V形密封圈主要用于液压缸活塞和活塞杆的往复动密封，其运动摩擦阻力较Y形密封圈大，但密封性能可靠、使用寿命长。

   当发生泄漏时，可只调整压环或填片而无须更换密封圈。

   V形密封圈的最高工作压力＞60MPa，适用工作温度-30~+80℃

   工作速度范围：

采用丁腈橡胶制作时为0.02~0.3m/s；采用夹布橡胶制作时为0.005~0.5m/s。

   V形密封圈的性能特点：

 1）耐压性能好，使用寿命长；

 2）根据使用压力的高低，可以合理地选择V形密封圈的数量以满足密封要求；并可调整压紧力来获得最佳综合效果；

 3）根据密封装置不同的使用要求，可以交替安装不同材质的V形密封圈，以获得不同的密封特性和最佳综合效果；

 4）维修和更换密封圈方便；

 5）密封装置的轴向尺寸大，摩擦阻力大。

      2.应用

   安装V形密封圈时，同样必须将密封圈的凹口面向工作介质的高压一侧，如图5-12所示。

   应根据工作压力合理选择V形密封圈组合个数及压环、支承环和调整垫片的材质，见表5-7。

   V形密封装置中，压环上的V形槽角度，应与V形密封圈完全吻合。

压环与密封副耦合面之间间隙大小应严格控制，以防止V形密封圈的唇边在介质压力作用下，被挤入间隙而造成唇边撕裂。

   合理的间隙值见表5-8。

支承环与孔及轴面之间的间隙值一般为δ=0.25~0.4mm。

   为了保持液压缸的运动精度，对压环和支承环的制造精度要求较高。

   V形密封圈材质的选用应根据密封装置的工作压力和工作速度来进行.

   夹布橡胶V形密封圈的耐压性能和耐磨性能均比纯橡胶V形密封圈好。

而纯橡胶V密封圈又具有优良的密封性能。

所以，若将这两种不同材质的密封圈，交替组装起来使用，便能充分发挥各自的特性，获得最佳的密封效果。

   V形密封圈使用一段时间后唇边会磨损，为保证其密封性能的持久性，须及时调整其压力。

一般采用螺栓/螺母或加调整垫片来调整，见图5-12。

   同样，V形密封圈的尺寸系列及公差已有国家标准。

四、组合式密封件

   组合式密封件由两个或两个以上元件组成。

一部分是润滑性能好、摩擦因数小的元件；另一部分是充当弹性体的元件，从而大大改善了综合密封性能。

       4.1 同轴密封圈

   同轴密封圈是结构与材料全部实施组合形式的往复运动用密封元件。

它由加了填充材料的改性聚四氟乙烯滑环和作为弹性体的橡胶环（如O形圈、矩形圈、星形圈等）组合而成。

按其用途可分为活塞用同轴密封圈（格来圈加O形密封圈）和活塞杆用同轴密封圈（斯特圈加O形密封圈），其结构形式如图5-18所示。

   格来圈和斯特圈都是以聚四氟乙烯树酯为基材，按不同使用条件、配以不同比例的充填材料（如铜粉、石墨、碳素纤维、石棉、二硫化钼、陶土等）制作而成。

   由于聚四氟乙烯树脂具有自润滑性能，因此同轴密封圈在各类往复运动密封圈中，是动摩擦阻力较小的一种，如图5-19所示。

      1.特点

   同轴密封圈利用O形密封圈的良好弹性变形性能，通过其预压缩力将格来圈（或斯特圈）紧贴在密封耦合面上起密封作用。

O形密封圈不与密封耦合面直接接触，不存在密封圈翻转、扭曲及被挤入间隙等问题。

   因此，同轴密封圈具有如下特点：

 1）格来圈和斯特圈具有极低的摩擦因数（0.02~0.04），且动、静摩擦因数变化小。

因此，运动平稳，无爬行；

 2）自润滑性能好，与金属耦合面不易粘着；

 3）密封性能良好；

 4）根据使用条件，可改变聚四氟乙烯树脂充填材料配比和种类，以获得所需的物理性能。

      2.应用

   同轴密封圈尺寸系列和公差及其安装沟槽形式、尺寸和公差都已有国家标准，分别是GB/T15242.1—2001《液压缸活塞和活塞杆动密封装置用同轴密封件尺寸系列和公差》和GB/T15242.3—2001《液压缸活塞和活塞杆动密封装置用同轴密封圈安装沟槽尺寸系列和公差》。

   同轴密封圈已被广泛应用于中、高压液压缸的往复运动密封装置。

其适用范围为：

工作压力不大于50MPa；运动速度不大于1m/s；工作温度-30℃~+120℃。

   使用同轴密封圈时，密封耦合面配合间隙的选择，与工作介质的压力高低有关。

   为防止格来圈和斯特圈被挤入密封耦合面的间隙中，应严格按标准规定的要求控制间隙值的大小。

   另外，密封性能的优劣也受耦合面加工精度和表面粗糙度的影响，应引起足够重视。

         4.2 新型格来圈

   本节将介绍一下两种新型格来圈：

  ◆T形Turcon格来圈；

  ◆HPR型Turcon格来圈

      4.2.1T形Turcon格来圈

   T形Turcon格来圈是在保留传统的弹性体施力密封的优良特性基础上，改进其几何形状方面的弱点，从而可以满足液压缸在负载下精确定位的要求。

它的制作材料为Turcon。

这种新型密封圈的结构简单而紧凑，且可使活塞与液压缸壁之间保持较大的间隙。

     1.特点

   T形格来圈的截面形状及其接触应力分布如图5-20所示。

   由于密封圈的侧面是斜的，导致密封圈有所“倾侧”。

这样就可以把最大压力点移到高压侧密封圈边缘的位置（见图5-20）。

相反，密封圈的低压侧，出现一个没有压缩或剪切负载的中间变形区，从而有效地减少了密封圈被挤入间隙的危险。

   T形Turcon格来圈具有如下优点：

 1）静密封性能非常好；

 2）允许有较大的配合间隙，故可降低加工费用，并能在有污物的介质中安全使用；

 3）摩擦力小，无爬行；

 4）可采用多种材料，对工作条件的适应性强；

 5）可适用于最新环保安全的液压液（生物油）。

      2.应用

   T形密封圈的安装沟漕形状简单，且沟漕尺寸符合ISO7425/1标准，可用于整体式活塞密封。

工作压力不大于80MPa；工作速度不大于1.5m/s；工作温度-54~+200℃。

应用实例如图5-21所示。

        4.2.2HPR型Turcon格来圈

    HPR型Turcon格来圈密封装置以叠加的方式将丁腈橡胶弹性体、聚胺酯挡圈和Turcon格来圈组装在一起，使它在单一的沟槽中得到一种轻巧的密封结构，且具有极好的性能，如图5-22所示。

      1.特点

   格来圈中丁腈橡胶弹性体2为一个形状匀称的释压环，它在径向对聚胺酯挡圈3和Turcon格来圈1施力。

HPR型Turcon格来圈密封装置作为主密封，具有释压能力，可防止密封元件间产生困压现象。

当活塞杆伸出时，HPR型格来圈对下游的支承元件和副密封提供充分的润滑液膜，格来圈的均匀几何形状可在活塞杆缩回时产生回吸作用，从而也控制了润滑的状况。

   这种密封装置的优点是：

 1）密封组件轻巧，安装方便；

 2）抗挤出能力强，可适应较大的配合间隙，尺寸适应性好；

 3）无粘着作用，长行程时工作可靠；

 4）抗污染，和流体相容性好；

 5）摩擦力小，耐磨性好，性能稳定；

 6）具有释压能力。

     2.应用

   HPR型Turcon格来圈适用于液压往复或螺旋运动的单向密封，采用整体式沟槽结构。

工作压力不大于50MPa；工作速度不大于1.5m/s；工作温度-54~+135℃；工作介质：

石油基液压油、水乙二醇。

        4.3组合密封垫圈

   组合密封垫圈是由橡胶环和金属环整体粘合硫化而成的密封元件，如图5-23所示。

垫圈的金属外环起支承作用，橡胶内环承受压缩变形后起密封作用。

内环厚度h与外环厚度s之差为橡胶的压缩量。

组合密封垫圈的优点是密封可靠，连接时的轴向压紧力小。

承载的流体压力高，且无需加开密封安装沟漕，因此应用非常广泛。

适用于工作压力不大于100MPa，工作温度范围为-30~+200℃的静密封。

五、防尘圈

   在液压缸中，防尘圈被设置于活塞杆或柱塞密封外侧，用以防止在活塞杆或柱塞运动期间，外界尘埃、砂粒等异物侵入液压缸，从而引起密封圈、导向环和支承环等的损伤和早期磨损，并污染工作介质，导致液压元件损坏。

      5.1普通型防尘圈

   普通型防尘圈呈舌形结构，如图5-24所示。

分为有骨架式和无骨架式两种。

   普通型防尘圈的工作条件：

 工作速度：

不大于1m/s；

 工作温度：

-30~+110℃；

 工作介质：

石油基液压油和水包油乳化液。

      5.22型Turcon防尘圈

   2型Turcon防尘圈包含一个用Turcon材料制作的防尘圈和一个作为弹性施力元件的O形密封圈。

防尘圈的截面形状及其接触应力分布，如图5-25所示。

   O形密封圈的弹性确保防尘唇均匀地紧贴在滑动表面上，从而使防尘圈起到了刮尘的作用。

   由于Turcon是一种极为耐磨、并经过特殊改进的聚四氟乙烯材料，其固有刚度高，因此防尘圈即使在苛刻条件下使用也不会变形。

   防尘圈的工作速度不大于1.5m/s，工作温度-54~+200℃（取决于O形密封圈材质）。

   2型Turcon防尘圈的优点是：

   安装空间小，沟槽结构简单。

起动时，无爬行和粘滞现象。

即使在有难对付的杂质和冰的情况下，也具有良好的防尘效果。

耐磨性好，使用寿命长。

   2型Turcon防尘圈的应用实例如图5-26所示。

       5.3旋转轴用防尘圈

   旋转轴用防尘圈是一种用于旋转轴端面密封的防尘装置，其截面形状和安装情况如图5-27所示。

   防尘圈的密封唇缘紧贴轴颈表面，并随轴一起转动，由于离心力的作用，斜面上的尘土等异物均被抛离密封部位，从而起到防尘和密封作用。

   旋转轴用防尘圈的特点是：

   结构简单、装拆方便、防尘效果好；不受轴的偏心、振摆和跳动等影响；对轴无磨损。

六、旋转密封件

        6.1旋转轴唇形密封圈（油封）

   旋转轴唇形密封圈俗称油封。

它是安装在旋转轴和静止件之间，用于密封润滑油外泄和防止外界尘土、杂物侵入设备内部的动密封元件。

   普通油封的使用压力小于0.5MPa，耐压油封的工作压力可达1~1.2MPa。

   油封的工作温度范围：

  丁腈橡胶制作:

-40~+120℃，氟橡胶制作:

-25~+200℃，

  丙烯酸酯橡胶制作:

-20~+150℃。

  油封的工作线速度一般小于15m/s。

   油封的分类：

   按轴的旋转线速度高低分类，可分为低速油封（小于6m/s）和高速油封（大于6m/s）。

   按油封所能承受的压力高低分类，可分为常压型油封和耐压型油封。

   按油封的结构及密封原理分类，可分为标准型油封和动力回流型油封。

   按构成油封的组件材质分类，又可分为有骨架型油封和无骨架型油封；有弹簧型油封和无弹簧型油封。

   通常，对油封的要求是：

 1）结构简单，制作和装拆容易。

 2）安装腔体的尺寸紧凑，加工方便。

 3）密封性能好，能长时间保持密封效果。

 4）对轴的振摆、偏心的适应性能好。

      1.密封原理

   油封在旋转轴上的安装情况，如图5-28所示。

   在自由状态下，油封的内径小于轴径，有一定的过盈量。

这样，当油封装到轴上后，即使没有弹簧，也有一定的径向力作用在轴上。

为了保证密封的可靠性，在油封唇缘的上方，加装一个弹簧（见图5-28）。

   依靠弹簧对轴的抱紧力来克服轴在旋转状态下，因振摆、跳动所造成的间