旋转轴唇形密封圈的设计与选材
第31卷 第5期2010年10月特种橡胶制品
SpecialPurposeRubberProductsVol.31 No.5 October2010
旋转轴唇形密封圈的设计与选材
鲁选才,贺永军,杨维章,吕斌杰,原 磊(西北橡胶塑料研究设计院,陕西咸阳 712023)
摘 要:详细叙述了旋转轴唇形密封圈的密封机理,影响因素,设计结构要点及材料选取原则。关键词:橡胶;密封;旋转轴;唇形密封
中图分类号:TQ336.4+2 文献标识码:B 文章编号:1005-4030(2010)05-0042-13
1 油封发展简述
旋转轴唇形密封圈(简称油封)是通过挠性密封唇与轴的过盈接触来防止轴承润滑油的泄漏,增加副唇也可防止尘土和泥水等外来物的侵入。
早期油封的唇部材料是由皮革定型而成,二次世界大战后用合成橡胶生产的油封使用量逐渐增加,特别是近50年来,由于机械制造、车辆、航空等工业的飞速发展,对油封提出了耐高低温、耐压、耐特种介质,适应高速旋转轴和延长使用寿命等一系列苛刻的要求,从而促进了油封在材料选用、产品结构、性能试验,质量控制和密封机理等方面深入广泛的研究,大大地提高了油封的密封性能和使用寿命[1]。20世纪60年代初国外研制成有回流效应的流体力学油封,更使油封的技术有了大的飞跃,使那些难以密封的部位获得了良好密封。80年代美国又制造出聚四氟乙烯油封,它不仅适用于超高速(60m/s),而且耐高压、成本低廉。70年代不少国家已制定了油封的国家标准和专业标准。80年代油封国际标准的颁布实施,使油封在世界范围内具有了通用性、互换性,随后各个国家纷纷参照国际标准重新制定新的国家标准。我国在油封研究方面起步较晚,尽管近十几年有了长足进展,但与国际水平相比,在产品结构、橡胶配合及生产工艺上还有较大差距,多数厂家生产的油封不能满足高温、高速等场合。国标GB9877-88虽然按3种结构形式列出了主要结构设计参数,但要想将其应用于实际生产中,没有
收稿日期:2009-10-27
作者简介:鲁选才(1954-),男,陕西汉中人,教授级高级工程师,
主要从事橡胶密封制品的研究开发工作。
一定的专业知识和实践经验还是比较困难的。2 油封密封机理
2.1 油膜润滑理论的建立
二次世界大战后的一段时间内认为橡胶油封的密封机理是唇与轴直接接触,使油和大气侧之间形成物理障碍,从而阻止了油的泄漏。基于这种设想还提出,只有用足够的力挤压密封唇才能与轴形成良好的密封。实践证明这种认识是不正确的。油封的干摩擦试验至1min后即对密封唇造成严重破坏,这是因为唇和轴之间如果形成/干接触0,那么在轴高速旋转时唇和轴表面之间由于旋转摩擦迅速产生高温从而烧毁密封唇,致使密封失效。实际上油封能在轴高速运转的情况下保持长时间密封,说明唇与轴之间必然有一层润滑油膜。1950年英国乔治安格斯公司工程试验室测出了这种油膜,其厚度为0.0025mm,尔后美国和日本的密封件公司也证明了这种油膜的存在并测出了厚度。NOK公司认为密封唇与轴接触时,由于其材料的弹性模量,唇口能部分地挤入轴表面粗糙的凹陷部位中,如图1所示,油膜厚度可表示为:hc=hmax-h
。
[1]
图1 密封唇与轴的接触
2.2 边界润滑理论
1954年又出现了边界润滑理论。该理论认为:新油封在装配使用时,其尖锐的密封刃口在径
2010年 鲁选才等 旋转轴唇形密封圈的设计与选材 43
向力的作用下与轴接触会产生轻微的变形,当轴旋转时变形部分迅速被磨损成一定宽度的平口(宽度约为0.25~1.02mm),这一过程称为油封的磨合,该过程在短期内即告完成,摩擦力也由起始的最高值迅速下降约50%而稳定下来。通过这一平口即可将油膜控制在边界的润滑状态,从而防止了润滑油的泄漏。唇下很薄的处于边界润滑状态的油膜为什么能防止油的泄漏,曾经有两种解释。一种观点认为,磨合后的密封唇与轴之间的间隙很小,其间很薄的油膜在表面张力的作用下与空气的交界面形成新月形(如图2所示),这种新月形油膜既能防止油从中通过也能防止油膜中的油渗出,故达到密封的目的。如果唇与轴的间隙过大,新月形油膜就会因表面张力降低而破坏,于是发生泄漏。另一种观点认为,密封唇与轴的接触面应尽量窄,这样在径向力的作用下便产生较尖锐的应力分布形式。如图3所示,这种形式的应力分布便能形成边界润滑油膜,同时防止唇下油的轴向流动而实现密封。相反,若唇与轴的接触面较宽,那么接触应力则呈均匀分布,于是出现较厚油膜的流体润滑,油则会产生轴向流动而泄漏。这两种说法都有一定实验和理论依据,而且并不矛盾,要达到理想的密封,在唇和轴之间必须有一层薄而稳定的油膜,既起密封作用又起润滑作用,如果这层油膜被破坏便导致泄漏。2.3 交替润滑理论
现在一般认为,油封在实际工作时,唇和轴的接触表面上既有干接触,又有边界润滑和流体润滑,三者不断交替变动。所以,既使性能很好的油封也仍然存在着磨损和微量泄漏,就连各种流体动力油封也只是将泄漏的油泵回油侧面不造成向外部的泄漏而已(见图4)。因此,尽量探明破坏边界润滑的因素,并在结构设计和材料选择、轴的加工及使用条件诸方面控制这些因素,从而提高油封的密封性能和使用寿命,是油封研制工作者为之而努力的目标。3 密封性能影响因素
油封密封性能影响因素很多,每种因素均对密封性能影响很大,只有掌握了解这些因素,合理地确定工作条件,设计产品结构,选择材料并正确地使用安装,才能达到预期效果。下面简单介绍
各种影响因素。
图4 流体动力油封的基本形式及其密封原理
L-静态唇在轴上的接触线;G-唇面花纹在轴上的接触线(形成分枝区);以L线为界,A-空气侧;O-油侧;空心箭头表示从油侧经唇下漏至空气侧,受到G的泵送作用又返回油侧。
[1]
图2 油在密封唇
下形成新月形油膜
图3
油封唇尖和轴接触时的应力分布
44特种橡胶制品第31卷 第5期
3.1 轴的影响
轴的表面粗糙度:如果轴的表面粗糙度过大(大于0.9Lm),轴表面之凸峰会穿过油膜与唇形成干接触,在轴旋转时就会切割密封唇而造成磨损,同时造成唇下油膜增厚使密封失效,如果轴的表面粗糙度过小(小于0.127Lm),唇的接触部位会被轴的表面凹处咬住(即产生粘着现象),唇下的油被挤出,从而增大摩擦和磨损,也会使密封遭到破坏,所以轴的表面粗糙度应有一个适宜的范围,国外一般控制在0.2~0.6Lm。
轴的加工状态:如果轴的表面存在加工痕迹、损伤和锈蚀,对油封的密封性能也有很大影响,如果轴上有螺旋加工痕或轴向划痕均会造成泄漏。
轴的椭园度:轴不可避免地有一定椭圆度,如果椭圆度过大则因密封唇部跟随性不适应轴的变化频率而造成泄漏。
轴的偏心和跳动量:轴的偏心和跳动量应尽量小,否则会改变唇对轴的接触应力分布和跟随能力而造成泄漏。
为了适应不可避免的轴的偏心、轴震动等,在油封结构设计上可采取减小腰部厚度或增加腰部长度等措施,流体动力油封对轴偏心和震动等具有较强的适应性,在技术条件允许的情况下应尽可能地选择适宜的流体动力结构。
3.2 压力影响
普通油封承压能力较低,一般仅能在0~0.05MPa下使用。当压力超过0.05MPa时,迫使腰部向轴面弯曲,使密封唇与轴的接触宽度增加,接触压力和摩擦力增大,结果因摩擦热的迅速积累而导致唇部磨损和烧灼,造成严重泄漏。如果压力较大,可视具体情况适当增加腰部厚度、缩短腰部长度,加大唇与轴的接触角,最好使用支撑环减小或防止腰部变形以降低摩擦生热,提高油封的耐压能力和使用寿命[1]。3.3 轴速度的影响
普通场合下油封使用温度的高低是由唇与轴在高速旋转状态下的摩擦热所决定的。所以轴速度(转速和线速度)对油封的工作性能影响很大。这种影响在于唇口工作温度的上升和唇对轴跟随性能的下降,过度的升温超过了橡胶材料的工作温度上限即造成唇口的老化破坏,跟随性能的下降会使油膜变厚而泄漏。要使油封适用于高速场合,除采用适当的橡胶材料外,合理的结构设计是
至关重要的,如适当地降低腰部厚度,加大接触角,采用适应高速的流体动力结构等[1]。3.4 油封用橡胶材料的影响
油封唇部橡胶材料的性能对其工作性能有极其重要的影响,它决定着油封的工作温度范围,摩擦、磨损性能、耐介质性能和密封性能等。所以,作为油封唇部橡胶材料,除应满足适当机械强度和硬度、耐高低温、耐介质、耐磨损和耐天候老化等一般要求外,还必须具有良好的挠性(即良好的变形恢复能力与足够的刚性相结合),以使其在轴运行时对轴有良好的跟随性和对轴的不规则性、偏心和震动有良好的补偿能力。具有高度挠性的密封唇对密封轴所需径向力也小,因而能减小摩擦力和摩擦生热。
为了提高密封性能,人们在橡胶配合技术上进行了大量的研究,用某些优良的配合剂改善橡胶的综合性能,用一些自润滑减磨材料降低摩擦系数,提高耐热性和耐磨性,也有在唇部复合一层聚四氟乙烯薄膜或用化学方法对唇部表面进行改性,均能达到良好的密封效果并能延长密封寿命。3.5 工作温度的影响
温度对橡胶材料及其工作特性有很大的影响,高温使橡胶材料老化,工作性能恶化,低温使橡胶材料变硬甚至变脆。除此之外,对于油封最重要的是考虑温度对橡胶杨氏模量的影响,因杨氏模量的变化直接影响到唇对轴的抱紧力,即影响密封性能。图5是几种橡胶油封的杨氏模量随温度变化的情况,由图可知丁睛橡胶从20e降至-40e时,其杨氏模量提高100倍,而杨氏模量直接影响到唇对轴的抱紧力,所以当温度降低时密封唇对轴的抱紧力增加(如图6所示)。油封在低温下启动时,尽管抱紧力大,弹性差,但一经启动由于摩擦生热会使唇口温度迅速上升,恢复弹性,即使在脆性温度下或比脆性温度低15e的温度下,油封亦能正常工作(但轴的跳动量要小于0.5mm,轴速要较高)。图7是丁腈橡胶油封在-40e下启动时唇口温度和油温上升情况。该图说明,540mm的轴以150r/min启动数秒钟后唇口温度即可上升10e以上,所以橡胶能够恢复弹性,保持密封性能。高温对油封性能的影响,除降低杨氏模量影响密封性外,还会使油的粘度大大降低,而降低唇下油膜的厚度,致使摩擦生热增大,降低密封性能。
2010年 鲁选才等 旋转轴唇形密封圈的设计与选材 45
3.6 介质影响
密封流体对油封性能的影响主要是通过对橡胶材料性能、润滑条件和散热作用的影响来表现的。
橡胶材料的选择很大程度上取决于被密封的流体。一般要达到被密封流体不至于造成橡胶材料的软化、过渡膨胀、硬化或有损物理机械性能和密封性能的作用。特别要注意润滑油中少量添加剂的影响,如高压、高速齿轮油中就含有磷、硫、卤素等有机化合物或有机金属化合物。这些化合物对硅橡胶有严重的腐蚀作用,能使丁腈橡胶进一步交联硬化,对丙烯酸酯橡胶也有一定影响。这种油经长期高温使用后会沉积黑色油泥,增加密封唇的磨损;其他润滑油长期使用后也会存在金属、砂尘粒子,就象磨料一样使唇和轴磨损,导致油封寿命缩短。
润滑油的种类和用量对唇口的润滑和摩擦温升有重要影响,图8是几种润滑油和润滑脂,在转速为3000r/min的条件下对唇口温升的影响。该图说明,由于润滑脂的散热能力较润滑油差(低70%),所以唇口温升最高;用齿轮油润滑时,唇口温升要比润滑油高。润滑油量对唇口温升也有影响。油量过少会出现润滑不良、散热不好的问题。如果断油则会引起唇口温度急剧上升而导致密封早期失灵(干摩擦试验证明:密封唇部可在1~3min内发生严重烧蚀龟裂)。为了充分发挥油封的密封性能,延长使用寿命,必须仔细考虑密封流体及其润滑方式对油封的影响。另外还应注意保持油的清洁,并定期进行更换。3.7 安装因素的影响
大量事实证明,装配不当或装配损伤是造成油封早期密封失灵的最主要的原因。人们往往不注意安装,当密封出现泄漏时,常把问题归结为油封性能不佳,而忽略了人为的因素。装配时应注意:(1)油封和轴应清洗干净,本身无任何缺陷和损伤;(2)密封唇部(或主副唇之间)涂一层清洁的润滑油膏;(3)用专用装配工具,正确地进行安装,不允许安装倾斜,以保证轴与油封的同心度。3.8 结构因素的影响
油封是一种精巧而复杂的机械配件,正确地确定结构参数对其密封性能和使用寿命有决定性的影响,这将在下节中进一步讨论。
图8 不同油对刃口温度上升的影响
(轴转速3000r/min)
1-润滑脂;2,2c-SAE90齿轮油;3,3c-SAE30润滑油。油量:2-2c之间,轴径25%浸入油;2-3c之间,轴全部浸入油
图5 橡胶材料的杨
氏模量和温度的关系
图6
橡胶油封在低温下抱紧力的变化
图7
轴启动初期刃口温度的上升
4 结构设计原则
4.1 代号
在结构设计之前应先弄清各种结构代号,这
46特种橡胶制品第31卷 第5期
里列出几种不同结构型式的常用代号[2](见图9)
。
大一些,这样往往使生产者和用户产生一定矛盾。具体多大为宜,必须综合考虑,如果轴速低可适当大些,如果轴速高则应适当小些。另外还应考虑橡胶材料的弹性、耐热性和耐磨性能,弹性差或耐热、耐磨性好的材料过盈量可适当大些,弹性好或耐热性、耐磨性差的材料过盈量应适当小些。实际上各标准所给的过盈量范围多是以腰部厚度和长度以及规格大小等因素综合考虑的,见表1。
表1 不同轴径时油封的过盈量
轴径
过盈量0.5~1.21.0~1.61.2~2.01.4~2.41.8~3.02.5~3.5
极限偏差?0.25?0.30?0.35?0.45?0.60?0.80
mm
图9 油封结构
B-后唇角(空气角)
d1-轴的基本直径(油封基本内径);d2-油封自由内径;A1-副唇前角;D-油封基本外径; B1-副唇后角b-油封基本宽度; H1-副唇外角i-唇口过盈量; S-腰部厚度i1-副唇过盈量;
R值-弹簧槽相对位置(轴向);h-唇宽; H-腰部轴面角h1-唇口宽; U-腰部油面角h2-唇冠宽; H3-拔模角h3-副唇宽; Rs-弹簧槽半径A-前唇角(油面角);a-弹簧槽径向位置b1-底部厚度; Bc-骨架内径弯角b2-骨架宽度; Rc-骨架弯角半径t1-骨架宽度;
ls-弹簧自由长度
D3-骨架内壁直径; Ls-弹簧接头长度d3-骨架内径; Ds-弹簧外径Dc-外骨架加工前外径;ds-弹簧钢丝直径
80~130130~250250~400
4.4 唇宽、唇口宽、唇冠宽度的确定
油封的腰部能提供唇部50%的径向力,所以它是保持油封径向力的一个主要部分。唇宽(腰部长度)较大时能提高唇的跟随性能,对高速或偏心较大的密封有利。但腰部过长则易变形,同时减弱腰部的径向力。唇宽较小唇部跟随性能会降低,这时可相应地减小腰部厚度,如果油封所接触的油压较大,适当缩小唇宽,可提高耐压和密封性能。
唇口宽是指刃口至油封底部的轴向距离,它的作用与唇宽是一致的,它的尺寸随唇宽而变化,主要用来限定刃口与弹簧槽中心的轴向距离(R值),因而也是影响密封性能的一个重要参数。
唇冠宽度主要影响唇部的强度,该尺寸太小,唇冠部在弹簧的作用下产生较大变形,增加唇部与轴的接触宽度和摩擦力,影响密封寿命,尺寸太大则冠部显得笨重,而且影响散热。
表2 油封基本宽、唇宽、唇口宽和唇冠宽
d15~3030~6060~8080~130130~250250~400
b7810121520
h6~6.56.8~8.38.5~9.210~11.212~1414~16
h15~5.55.5~6.27.2~88.2~9.510~11.811.5~13.5
h22.7~3.03.2~3.73.8~4.24.5~5.26~6.86.5~7.5
4.2 基本尺寸的确定
在设计油封时首先要想到通用性和互换性,必须采用新的国家标准和国际标准,除非特殊要
求,一般不设计非标准规格尺寸。4.3 过盈量的确定
唇口过盈量是指基本轴径与油封自由(无簧)内径之差。过盈量是油封产生无簧径向力的重要因素,也是克服轴偏心的一个必要措施。过盈量过大则唇口过分伸长,易于磨损老化,影响密封寿命;过盈量过小则影响密封性能。发动机设计者们从油耗和功耗考虑,要求过盈量越小越好,但油封设计师们从密封性能角度出发则希望过盈量稍
46特种橡胶制品第31卷 第5期
里列出几种不同结构型式的常用代号[2](见图9)
。
大一些,这样往往使生产者和用户产生一定矛盾。具体多大为宜,必须综合考虑,如果轴速低可适当大些,如果轴速高则应适当小些。另外还应考虑橡胶材料的弹性、耐热性和耐磨性能,弹性差或耐热、耐磨性好的材料过盈量可适当大些,弹性好或耐热性、耐磨性差的材料过盈量应适当小些。实际上各标准所给的过盈量范围多是以腰部厚度和长度以及规格大小等因素综合考虑的,见表1。
表1 不同轴径时油封的过盈量
轴径
过盈量0.5~1.21.0~1.61.2~2.01.4~2.41.8~3.02.5~3.5
极限偏差?0.25?0.30?0.35?0.45?0.60?0.80
mm
图9 油封结构
B-后唇角(空气角)
d1-轴的基本直径(油封基本内径);d2-油封自由内径;A1-副唇前角;D-油封基本外径; B1-副唇后角b-油封基本宽度; H1-副唇外角i-唇口过盈量; S-腰部厚度i1-副唇过盈量;
R值-弹簧槽相对位置(轴向);h-唇宽; H-腰部轴面角h1-唇口宽; U-腰部油面角h2-唇冠宽; H3-拔模角h3-副唇宽; Rs-弹簧槽半径A-前唇角(油面角);a-弹簧槽径向位置b1-底部厚度; Bc-骨架内径弯角b2-骨架宽度; Rc-骨架弯角半径t1-骨架宽度;
ls-弹簧自由长度
D3-骨架内壁直径; Ls-弹簧接头长度d3-骨架内径; Ds-弹簧外径Dc-外骨架加工前外径;ds-弹簧钢丝直径
80~130130~250250~400
4.4 唇宽、唇口宽、唇冠宽度的确定
油封的腰部能提供唇部50%的径向力,所以它是保持油封径向力的一个主要部分。唇宽(腰部长度)较大时能提高唇的跟随性能,对高速或偏心较大的密封有利。但腰部过长则易变形,同时减弱腰部的径向力。唇宽较小唇部跟随性能会降低,这时可相应地减小腰部厚度,如果油封所接触的油压较大,适当缩小唇宽,可提高耐压和密封性能。
唇口宽是指刃口至油封底部的轴向距离,它的作用与唇宽是一致的,它的尺寸随唇宽而变化,主要用来限定刃口与弹簧槽中心的轴向距离(R值),因而也是影响密封性能的一个重要参数。
唇冠宽度主要影响唇部的强度,该尺寸太小,唇冠部在弹簧的作用下产生较大变形,增加唇部与轴的接触宽度和摩擦力,影响密封寿命,尺寸太大则冠部显得笨重,而且影响散热。
表2 油封基本宽、唇宽、唇口宽和唇冠宽
d15~3030~6060~8080~130130~250250~400
b7810121520
h6~6.56.8~8.38.5~9.210~11.212~1414~16
h15~5.55.5~6.27.2~88.2~9.510~11.811.5~13.5
h22.7~3.03.2~3.73.8~4.24.5~5.26~6.86.5~7.5
4.2 基本尺寸的确定
在设计油封时首先要想到通用性和互换性,必须采用新的国家标准和国际标准,除非特殊要
求,一般不设计非标准规格尺寸。4.3 过盈量的确定
唇口过盈量是指基本轴径与油封自由(无簧)内径之差。过盈量是油封产生无簧径向力的重要因素,也是克服轴偏心的一个必要措施。过盈量过大则唇口过分伸长,易于磨损老化,影响密封寿命;过盈量过小则影响密封性能。发动机设计者们从油耗和功耗考虑,要求过盈量越小越好,但油封设计师们从密封性能角度出发则希望过盈量稍
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唇宽一般均设计的比油封宽度(b)小0.5~5mm(视规格尺寸和b而定),以避免在包装、安装和使用过程中损伤唇部。唇口和唇冠宽度随唇宽减小而减小,增大而增大,见表2。4.5 前唇角(A)、后唇角(B)和腰部轴面角的设计
前唇角(A)又称油面角,它不仅可调整唇口的位置,而且可调整密封性能。如果A角过小,当轴高速旋转时,由于轴的搅动作用,该区域内油分子的碰撞运动加剧,会造成唇下油膜的破坏,而引起泄漏。若A角过大,则影响弹簧保持唇的强度。A角一般应大于40b。国内外多在40b~50b之间,最常见的是45b?5b
。
对散热也有影响。目前,多采用5b~15b,也有相当多的油封在设计时后唇角与腰部轴面角处在同一斜面(即B=H)。4.6 R值的设计
R值是指油封刃口与弹簧槽中心的轴向距离。该值可认为是唇口的理论接触宽度。R值小,接触宽度小,易使接触应力呈集中分布,有利于控制稳定油膜,但R值过小(趋于0)则无法保持油膜,不利于密封;R值过大,则接触宽度大,不仅增大摩擦生热,而且因应力分布平均易呈流体润滑状态造成泄漏。在设计时主要看油封规格尺寸的大小和轴速度的大小来确定。具体地说:规格尺寸小,R值适当地缩小,规格尺寸大,R值适当地增大。同规格时,轴速高R值缩小,轴速低R值增大,R值的设计范围见表3。
表3 不同轴径油封的R值
轴径3030~60
b7810121520
R值1)0.4~0.60.5~0.70.6~0.80.6~1.00.7~1.10.8~1.2
R值2)0.3~0.50.4~0.80.5~1.10.6~1.50.7~2.0
R值3)0.25~0.600.30~0.700.35~0.800.40~1.00.45~1.10.50~1.2
mm
图10
60~8080~130130~250250~400
后唇角(B)又称空气角,它对唇与轴的接触宽度有影响,属于影响密封性能的一个重要参数。日本曾进行过这样一种试验:将通常的油封装在试验台上,油侧和空气侧均为常压(与大气相通),当让轴高速旋转时,从空气侧滴加一部分试验油,这时发现滴加的油迅速被吸入油侧,如图10所示。这种现象是这样解释的:因B和A角相差很大,在轴高速旋转时,由于轴的搅动作用,B处的空气分子获得的热焓较A处大,所以空气分子的运动速度也有较大的差别,根据流体动力学能量守恒原理,运动速度的差别将会导致唇口两边压力的差异,即PA
腰部轴面角(H),对腰部的弹性有影响,另外
注:1)GB9877-88;2)文献值;3)推荐值。因目前高速油封较多,R值不宜过大。
4.7 腰部厚度设计
油封腰部厚度(S)也是影响密封性能的一个至关重要的参数,S的大小影响到对轴的跟随性。较薄的腰部跟随性好,但易凸出变形,即使在低压下也可能出现这种变形而影响密封;腰部过厚则对轴的跟随性能降低,造成泄漏。目前一般均采用不等厚腰部,这样既增加腰部刚性又能克服外凸变形。设计腰部厚度时、要综合唇宽、轴速和油压诸因素,唇宽较大、轴速较低或油压较高时可适当加大腰部厚度;反之,唇宽较小,轴速较高或压力很低时要适当减小腰部厚度,S值的选取见GB9877-1988。
腰部厚度的计算公式是笔者在设计过程中为验证其准确性,利用点线距离公式反推出来的。
由(X0,Y0)到AX+BY+C=0的距离d=
00(1)
+B 这里的点(X0,Y0)是指腰部油面角斜线与内
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底拐角半径Rb的圆心座标,而AX十BY+C=0则是腰部轴面直线的方程,该方程为了计算方便改为:
Y=tan(90-H)X+C
这时A=tan(90b-H),B=-1,于是
d=
00+1
b
主要是副唇处的热量积累影响主唇,副唇腰部和主唇腰部相连则两者发生相互作用而影响主唇的密封,所以如果在外部使用接触尘土的油封必须设置副唇,原则上最好不与主唇相连,副唇断面应
1)不宜过大,较薄,副唇与轴的夹角(副唇前角A
一般取35b~45b。副唇的过盈量过去均给正值
(2)(3)
(即副唇直径小于轴直径),近年来,收集到的国外资料与实物表明副唇过盈量均为负值(即副唇直径大于轴径),那么副唇直径大于轴径是否能起到防尘作用呢?
由于主副唇所处的位置相当于一个杠杆,从长度上讲,主唇的力臂大于副唇的力臂,当油封被安装在轴上后,主唇被撑大,产生外向位移,在杠杆作用下,副唇会产生内向位移而贴着轴,即使副唇没有贴着轴留有很小的间隙也无关紧要,因为在轴高速旋转时,主副唇之间的空气分子受轴的搅动作用并从主唇获得大量的热能而作高速运动,主副唇之间的压力大于副唇外的压力,尘土是难以进入副唇内的,因而起到了防尘的作用。副唇的主要参数见表4。
表4 油封副唇的主要设计参数
轴径[3030~6060~8080~130
b781012
h30.2
A1
B1
H1
i
极限偏差?0.25?0.30?0.35?0.40?0.50?0.60
式中:d=S+Rb,则S=d-Rb
(3)式是已知Rb的圆心(X0,Y0)求S0,在设计过程中我们往往只知道d和Y0,而需要求出
X0,这时可将(3)式变换为:
X0=
0A
(4)
利用(4)式设计的腰部厚度比较精确,可避免人为的和作图上的误差,但应注意:(a)合理确定座标原点,以便于取值计算;(b)对于带副唇的油封的腰部轴面线相对位置必须计算准确,否则S值将出现较大的偏差;(c)对于腰部轴面角H=0且顶点高度大于油封底部宽度b1时,不宜用(4)式计算;(d)一定要弄清计算过程中所取点座标(X0,Y0)是正值还是负值。腰部的各个相关尺寸设计完成后以(3)式验算S值是否与设计值吻合。4.8 腰部油面角U的设计
腰部油面角影响腰部刚度和弹簧槽的径向位置,由于设计模具时该角度会发生变化,所以一般根据收缩率的大小和腰部长度取3b~8b,收缩率大的油封U值取大,腰部长,唇冠部较大的油封U值取大,反之取小。
4.9 弹簧槽和弹簧保持唇的设计
为了便于设计加工和脱模,目前较流行将弹簧保持唇设计为半圆形与弹簧槽相接于同一圆心线上。弹簧槽圆心位置主要由R值来确定,弹簧槽的半径Rs则由规格尺寸和后宽h来确定。GB9877-88按h将Rs分为6级(0.80,1.00,1.25,1.50,1.75,2.00),弹簧保持唇的半径可根据剩余位置设计,最小不低于0.3mm,最大不大于0.8mm,弹簧槽底部与腰部油面角则应以R0.2~R0.5的圆弧连接。
4.10 副唇的设计
副唇主要用来防止灰尘等物进入唇下影响主唇的密封性能和寿命。必须注意,副唇只有在不得已时才采用。因国外试验表明,当轴速超过5m/s且存在摆动时,副唇的存在往往是有害的。
35~4560~7035~45-0.2535~45-0.3035~45-0.3535~45-0.435~45-0.535~45-0.6
0.2635~4560~700.2635~4560~700.3035~4560~700.3535~4560~700.4
35~4560~70
130~25015250~40020
4.11 金属骨架的设计
金属骨架的作用是增加油封的结构强度,其配置方式视工作条件和装配方式而定。按照目前国内外标准,金属骨架的配置共有3种形式:a.内包型骨架;b.外露型骨架;c.装配型骨架。
内包型骨架是嵌入橡胶中间的,其加工精度要求不甚严。骨架的厚度相对薄一些,只要能满足强度要求即可。主要控制尺寸为宽度b2,内壁直径D3和内径d3,d3一般要比油封底部内径大1~2mm,以保证胶料流动自如。D3则要考虑骨架外侧包胶厚度达0.8~1.5mm。b2最大不能高于油封外径上部倒角处,但也不能太小,太小则影响油封安装定位。
外露骨架和装配式外骨架加工精度要求较
2010年 鲁选才等 旋转轴唇形密封圈的设计与选材
表5 弹簧设计参数
d15~3030~6060~8080~130
As0.30?0.010.35?0.010.45?0.020.55?0.02
Ds1.6?0.052.02.53.03.54.0
Ls
P(A1+2.5)?1.0P(A1+2.5)?1.0P(A1+3.0)?1.0P(A1+3.0)?1.5P(A1+3.5)?2.0P(A1+3.5)?2.0
49
mmls1.0~1.51.2~1.51.5~2.01.5~2.02.0~2.52.5~3.
严,因外圆需增加磨削工序以保证尺寸精度和密封性能,所以外径尺寸必须留有足够的磨削余量,根据规格尺寸的大小最小磨削量应不小于0.3mm(直径方向),一般在0.3~1.0mm,因此骨
架的厚度就要相应的增加,另外这两种型式的油封由于骨架与胶料的粘合面较少,所以骨架在底部内径部位必须加工成一定的弯角以增加粘合面积。
装配式油封的内骨架主要用于对较大规格外骨架起加强作用,骨架厚度可相应薄一些,垂直度要求高一些,其外径D2应稍小于外骨架内壁孔尺寸,以便于装配配合,内骨架宽度b3为基本宽度b减外骨架厚度t1。
应该注意,通常冲压的金属骨架一般均呈喇叭口状(有一定的拔模斜度),为了减小喇叭状,提高垂直度,骨架弯角半径Rc应尽可能的缩小,Rc最好采取其骨架厚度的3/5。
4.12 弹簧的设计
弹簧提供的径向力约占整个油封径向力的3/5以上;所以弹簧设计的好坏对油封的密封性能和寿命有重大影响。弹簧设计主要依据所需提供的径向力和弹簧槽直径,通过计算确定应采用的钢丝直径和自由长度。钢丝直径ds的选择是弹簧设计中的一个关键,ds过小则弹簧弹性和定伸强力较差,ds过大则弹簧柔韧性差且定伸强力太大,均影响使用性能,经验证明弹簧直径Ds与钢丝直径ds之比是弹簧设计的重要参数,即:
s
=5.5?0.5ds
当钢丝直径确定之后,弹簧自由长度的计算就是非常关键的,通常弹簧长度是按下式计算的。即
LS=P(A1+a)+ls
(5)
式中,a是常量,按轴径大小为定值。GB9877一
88中a为弹簧槽中心至唇口高度,其范围2.3~5.8mm,用(5)式计算出的弹簧长度,小规格还可以,大规格可能太长。这里推荐弹簧按表5中的参数进行设计,弹簧接头形式根据实际情况采用3种结构型式(见图11)。4.13 流体动力回油线的设计
国内外流体动力回油线的结构形式很多,按功能作用分为单向回油线和双向回油线两种。有些回油线加工工艺复杂且回油效果不佳,有些回
130~2500.60?0.025250~400
0.70?0.03
图11 弹簧结构形式
油线则因加工工艺不当或参数尺寸不到位而起不到回油作用或作用不明显。我们在/8630项目研究中,对回油线的结构、参数和加工工艺进行了系统研究。研究结果表明单向回油线的返油功能远大于双向回油线,变截面回油线的返油功能优于普通(不变截面)回油线,双正弦波回油线返油功能优于单正弦波回油线。对加工工艺进行了改进。新工艺加工的回油线较之旧工艺更加光滑、均匀,新工艺加工的回油线比旧工艺加工的回油线返油功能强得多。(见表6~7和图12~15)。设计加工中应特别注意:唇口处的回油线高度应适宜。太高会因密封流体外流加剧而破坏动态平衡发生泄露。另外单向回油线的夹角也应适宜,太大会降低轴旋转时的推力(回流)作用,太小则造成加工难度。
50特种橡胶制品
表6 老工艺油封返油试验情况
第31卷 第5期
油封结构585@105@12正弦波
介质40CD+40CD+40CD+40CD+40CD+
油温度,e40?577?368?1277?5107?1340?668?887?393?3121?1040?563?784?286?2112?1040?565?1080?580?5110?10
转数,r/min
[***********][***********][***********][***********]31025785顺20502050
试验时间,h返油量,g/min
1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.534ml/h30ml/h
0.672.672.53.31.670.11.30.71.030.7311.3315.9315.4310.7110.330.330.070.200.57ml/min0.5ml/min
密封状况试验时间 结果
80 良好
160 良好
585@105@12普通单向40CD+40CD+40CD+40CD+40CD+
585@105@12正三角形变截面40CD+40CD+40CD+40CD+40CD+
565@105@12斜三角形变截面(15b)40CD+40CD+40CD+40CD+40CD+
80 良好160 良好
565@105@12双沟槽22#透平22#透平
表7 不同形式不同回油线参数油封(新工艺)的返油量
结构编号*A-/h1/h2A/h1/h1A/h1/h2A/h1/h-2A/h1/h+2A/h-1/h2A+/h1/h2A/h+1/h2单正弦波双正弦波
单截面正弦(h1/h+2)
不同转速下的返油量,g/min
1600,r/min41.5244.7659.8594.415.6843.848.63513.851.442.85
2414,r/min77.636.1253.1752.0821.7558.853.435.258.052.786.9
3800,r/min50.0048.7281.085.882.4621.2559.8559.73.14.4312.8
4400,r/min52.9850.7682.8120.0120.688.684.683.84.58.122.5
5785,r/min120.855.2136.5134.4131.4129.9125.3127.210.4522.0533.45
径向力,N/cm
1.671.811.601.711.691.821.81.651.71.81.71
+注:*1)A为回油线与水平线夹角,A为大于A角,A-为小于A角;
-2)h1为回油线在唇口部位高度,h+1为高度大于h1,h1为高度小于h1;-3)h2为离唇口1.5mm处回油线高度,h+2大于h2,h2小于h2。
2010年 鲁选才等 旋转轴唇形密封圈的设计与选材 51
图12
不同流体动力回油线油封示意图
质性)选用。相容性可从有关资料中查到,工作温度可根据下式确定:
T1+T2
(6)
式中:T1-最高使用油温(设计参数事先给定);
T2-正常工作状态下唇口温度与油温之差(也可用$T表示);
图13
新工艺返油量
Tmax-油封用橡胶材料最高允许使用温度。(6)式表明,所选用的橡胶材料的容许使用温度必须大于或等于T1+T2才能使用。关于T2,国外进行过大量的研究,不仅作出了有关图形曲线(见图16),而且也可用下列布宁克经验公式计算。
vT=Kr
式中:vT-唇口温升(唇口温度减油唇);
Sr-轴的线速度,ft/min;
(7)
图14
新旧油封返油量对比
K-常数,典型的油封和润滑脂,K=1.5~2.5,通常K=2。
日本NOK油封公司对其典型结构油封在不同轴径和转速下,在SAE30油中测定的唇口温升值见图
17。
图15 新旧正弦波油封返油量对比
5 材料选择
5.1 橡胶材料选择
目前用于制造油封的材料主要是丁腈橡胶、丙烯酸酯橡胶、氟橡胶和硅橡胶4种。根据工作温度和橡胶与被密封流体的相容性(橡胶的耐介
图16 唇刃口温度上升值($T)的计算
(密封液体:SAE20,90;油温:110e;油量:轴中心;
油封规格:80@110@10丁腈橡胶)
52特种橡胶制品第31卷 第5
期
图17 NOKS型和T型油封唇口温升的情况
(密封液体:发动机油SAE30,油量:轴中心)
德国标准DIN3761中规定了油封在不同密封介质及其油温下应如何选择橡胶材料(见表8)。在相同线速度下工作的油封因规格的差异使轴旋转频率和振动图频率很高,既影响跟随性又影响唇下热量导出,所以不能简单地用油温和线速度来选择材料,DIN3761中又规定了在不同轴径和轴速下应如何选择橡胶材料,见图18。在选择油封材料时应将表8和图18与自己的配合技术综合起来考虑才能达到满意的效果。
5.2 骨架材料选择
金属骨架材料的选择主要依据工作条件和结
图18 不同胶种的油封适应的轴径与轴速关系图
构形式,同时应考虑材料的冲压工艺性能和价格、货源问题。对于通用的内包骨架、外露骨架和装配式油封,其骨架材料普遍选用08F或08钢板。而对于密封酸碱类腐蚀性介质时应选用不锈钢板,或选用普通钢板增加防腐性涂层进行保护。
表8 不同材质油封的耐介质和耐热性能
胶料丁腈橡胶丙烯酸酯橡胶硅橡胶氟橡胶
低温e低温限度脆性温度-40-30-5030
1
2
3
4
1
2
3
4
允许使用的介质温度(油温),e1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
-20~-[***********][***********][***********]080100120-10~-[***********][***********][1**********]150-50
[1**********]0
一般不用
[1**********]0
一般不用
一般不用一般不用
一般不用润滑脂
-10~-[***********][***********][***********]50160160
马达油
传动油
航空燃料
准双曲线传动油
车用液压油
第1列:适于进行1000h寿命试验的试验温度;第2列:适于10@14h试验过程的中等(正常)试验温度;
第3列:适于10@6试验过程的最高试验温度;第4列:汽车上允许短期(>1、
5.3 弹簧材料的选择
对于普通场合使用的油封,其弹簧材料一般选用65#高碳钢丝或65Mn钢丝即可,而对于密封腐蚀性介质的油封,其弹簧材料则应选用不锈钢丝或镀铬钢丝。对于某些特殊要求的弹簧,其材质应与用户和制造厂商定。弹簧在绕制成后应进行低温退火和防锈处理,以消除内应力和防止存放中生锈。
6 油封唇宽和副唇对收缩率的影响6.1 唇宽对收缩率的影响
众所周知、橡胶产品的收缩率主要取决于胶种、硫化温度、压力和时间。相同的胶种由于含胶率、硬度、硫化体系和填料体系的差异,收缩率则
大不相同。尽管橡胶在硫化过程中影响收缩率的因素较多,但在胶料配方和工艺条件确定之后,则主要取决于产品的结构形态。多年来,由于产品品种单一和规格范围偏小,人们一直沿用着同一种产品"规格尺寸越大收缩率越小"这一传统概念。这一概念的不足之处在于忽视了某些复杂产品的结构参数,对油封这种特殊的产品而言,由于它的结构形状较为复杂,规格范围较宽,国际标准ISO6194/1和国家标准GB9877-88均按公称尺寸分为6个(7、8、10、12、15、20)宽度等级。因而把油封分为6种剖面结构。这6种剖面结构的唇部宽度(腰部长度)和腰部厚度均不相同,它们对收缩率的影响是很大的。
油封的结构形式较多,通用的两种为单唇型
2010年 鲁选才等 旋转轴唇形密封圈的设计与选材 53
和双唇型(主、副唇型)如图19。虽有资料[3]报道了油封不同部位的收缩情况,但未提及唇宽和腰厚对收缩率的重要影响。这主要是因多数厂家生产的油封规格尺寸偏小,品种数量少,不易发现其影响规律。笔者通过对由小到大多种油封收缩率的统计,分析研究了在胶料和工艺条件确定的情况下,唇宽、
腰厚和副唇对收缩率的影响。
讨论弹性收缩(径向收缩)。在硫化合模加压阶段,胶料受压力和温度的影响被迫流动,分子链被拉伸取向,在硫化交联过程中,分子链虽然被固定下来,但在脱模后由于外力的消除,那些未被交联
的链段力图恢复自由状态,从而产生了弹性收缩。油封的弹性收缩因受金属骨架的影响,各部位的收缩量是不一样的,离骨架近的地方收缩量小,离骨架远的唇口处收缩量最大。
弹性收缩本身也需要力,如果用力矩的概念解释唇宽对收缩率的重要影响是不难理解的。H越大则力臂越大,力矩也越大,收缩率也就越大,见图20
。
图19 单唇和双唇油封唇部结构示意表9 两种氟橡胶油封的收缩率
规格唇高(H),mm底高(B),mm腰厚(S),mm设计收缩率,%实测收缩率,% F105 F202结构形式
1.81.6图19a
2.11.8图19a
570@92@11
9.632.51.1
592@120@12
10.332.50.8
图20 唇宽对收缩率的影响
6.2 副唇对收缩率的影响
对于带副唇的油封,其副唇口处的收缩率为负值(约-0.2%~-0.4%),这与有关资料
结构图19b图19a图19b图19a
[3]
表10 几种丁腈橡胶油封的收缩率
规格535@55@85100@125@125120@150@125130@160@125140@170@155140@170@155160@190@155160@190@15
唇宽Hmm79111111.513.513.513.5
底高Bmm22.6333.5444
腰厚Smm1.31.41.811.831.61.81.81.96
收缩率,%1.5 0.90.7 1.21.0 1.20.8 1.1
报
设计 实测形式
道相符。但副唇对主唇收缩率的影响没有报道,且资料将副唇口处的负收缩解释为体积收缩占主导地位所致。实际上副唇的负收缩并非体积收缩所致,而是受主唇收缩的影响造成的。
如图21所示,在脱模后主唇和副唇都产生弹性收缩,但由于主唇较长副唇较短,主副唇之间存在着较大的力臂差,根据杠杆原理,主唇较大的力矩促使副唇向外偏转。整个收缩过程包含着弹性收缩、体积收缩和杠杆偏转,但杠杆偏转作用占主导地位,最终反映出副唇口的负收缩。
表11 有、无副唇油封的收缩率对比
规格尺寸唇高(H),mm底高(B),mm腰厚(S),mm收缩率,%设计值,mm实测值,mm结构形式
0.7 0.71.2 1.5图19a 图19c
0.6* 0.61.2* 1.4图19a 图19c
5100@125@12
9 92.6 2.61.4 1.4
5140@[email protected] 13.5
4 41.8 1.8
0.6 0.7*图19a 0.6 1.2*图19a0.5 1.21.2 1.1
图19a图19b
注:带/*0者为普通丁腈橡胶胶料,其余为耐热丁腈橡胶胶料
由表9和表10可以看出,油封不一定是"规格尺寸越大收缩率越小"。收缩率的大小与唇宽
H密切相关。规格相同或相近的油封,H大的收缩率大,H小的收缩率小,腰厚S小的收缩大,S大的收缩小,腰厚对收缩率的影响程度远不如唇宽。
有人把橡胶硫化收缩率主要归结为脱模后的体积收缩和分子链取向所引起的弹性收缩。在硫化反应中,橡胶分子由线型结构变成立体网状结构,其体积收缩主要表现为热胀冷缩,对于唇部断面面积较小的油封,体积收缩是较小的,这里主要
注:有/*0者为普通丁腈橡胶胶料,其余为耐热丁腈橡胶胶料
表11列举了两组同规格的油封,有副唇的要比无副唇的收缩率大0.2%左右。产生这种结果
54特种橡胶制品第31卷 第5期
的主要原因在于副唇A有空档(见图21),受骨架限制的部位减少,即杠杆支点面减少,更易造成偏
转所致。
研制、多种型号军用车辆及航空发动机油封和/8630项目油封的研究与开发,对油封的结构设计、材料选择及收缩率的影响因素进行了系统的归纳,希望能对油封的设计制造者有一定的参考价值。
参考文献:
[1]特种橡胶制品基础资料编写小组.国外特种橡胶制品,密封、乳胶、声学橡胶制品分册(2)[C].西北橡胶塑料研究设计院,1979.
[2]GB9877-1988旋转轴唇形密封圈结构尺寸系列[S].[3]黄孝信.橡胶模具设计中制品的结构形状对橡胶收缩率的影响[J].橡胶工业,1989,36(7).
图21 主副唇对收缩的影响
7 结束语
通过外骨架油封攻关、采煤机用外骨架油封
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