浮動油封丨淺析浮動油封的密封原理
2017-08-27
浮動油封是一種機(jī)械密封方式，一種為了適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境而發(fā)展起來的旋轉(zhuǎn)動密封裝置。具有端面動態(tài)密封功能的特殊形式的機(jī)械密封裝置，維修簡單，密封性能好，使用壽命長，結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，主要是在工程機(jī)械以及其他別的機(jī)械上應(yīng)用。例如履帶式液壓起重機(jī)、履帶式液壓挖掘機(jī)、推土機(jī)、攤鋪機(jī)等工程機(jī)械，以及礦用機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、建筑機(jī)械等，如挖掘機(jī)和履帶起重機(jī)的行走減速機(jī)、履帶承重輪等。
1 浮動油封的密封原理
浮動油封一般是由一對浮動密封環(huán)（以下簡稱“浮封環(huán)”）、兩個(gè)橡膠圈、兩個(gè)浮封座等共六部分組成的密封系統(tǒng)（見圖 1），共五處密封要求。浮封環(huán)是一個(gè)軸向呈馬鞍形，由鐵合金材料制成的浮動式的端面密封環(huán)。橡膠圈是一軸向截面為圓形而截面直徑較粗的橡膠環(huán)。浮動座是含有一個(gè)內(nèi)錐面、起到托住橡膠圈與浮動環(huán)并使兩者在空間保持一定位置的座腔。
浮封環(huán)需成對使用，一個(gè)隨旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)（動環(huán)），另一個(gè)相對靜止（定環(huán)），在動環(huán)與浮封座之間以及在定環(huán)與浮封座之間的錐面處，各裝入一個(gè)具有圓形斷面的橡膠圈，在裝配預(yù)緊力作用下橡膠圈在浮封座形成的密封腔內(nèi)受軸向壓縮產(chǎn)生變形。產(chǎn)生垂直于浮封座錐面的彈力 Fb 和垂直浮封環(huán)錐面的彈力 Fc，彈力 Fc 分解為軸向分力 Fca 和徑向分力 Fcr。彈力 Fb 是橡膠圈與浮封座錐面緊密接觸實(shí)現(xiàn) b 處密封，彈力 Fc 是橡膠圈與浮封環(huán)錐面緊密接觸實(shí)現(xiàn) c 處密封，軸向分力 Fca 使兩浮封環(huán)密封面緊密接觸，實(shí)現(xiàn) a 處密封，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)密封系統(tǒng)的 5 處密封要求（見圖 2）。
浮封環(huán)的密封接觸表面寬度為 0.2～0.3 mm，內(nèi)部的錐形間隙有利于潤滑油進(jìn)入密封面。潤滑油通過毛細(xì)作用、旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心作用以及密封腔內(nèi)溫升后內(nèi)壓增大的作用進(jìn)入密封間隙，形成一層很薄的油膜，從而實(shí)現(xiàn)密封、潤滑及冷卻，同時(shí)還可避免兩浮封環(huán)接觸端面過度磨損發(fā)熱所引起的橡膠圈老化變形、失去彈性。當(dāng)浮封環(huán)亮帶磨損時(shí)，橡膠圈的彈性還可起到一定的自動補(bǔ)償作用。
2 浮動油封的材料
浮封油封的本身質(zhì)量問題。浮封環(huán)的材料、硬度、密封面的光潔度、錐面對基準(zhǔn)軸的同軸度，橡膠圈的硬度、耐老化性等都將影響浮動油封的密封效果。
浮動油封的安裝問題。如果安裝時(shí)不按照正確的步驟和要求進(jìn)行操作，會導(dǎo)致浮動油封的零部件發(fā)生變形、損傷，使浮動油封失效。如果不按照操作規(guī)程，有可能在安裝過程中進(jìn)入雜質(zhì)、毛屑等異物，引起泄漏。
密封端面的接觸比壓不均或者過大。作用在密封端面上的比壓均勻且大小適當(dāng)，比壓過小降低密封性能，比壓過大又會加劇密封端面的摩擦磨損。
浮封座設(shè)計(jì)制作加工問題。由于浮動油封必須與浮封座結(jié)合在一起，必須能夠嚴(yán)密的結(jié)合，而浮封座是否能夠跟浮動油封完美的匹配，直接影響著浮動油封的工作性能。所以，必須按廠家提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)或者浮動油封的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制作加工。
潤滑油的問題。潤滑油使用不合適會直接降低浮動油封的使用壽命，會使橡膠圈過早的老化，沒有彈性。潤滑油的清潔度也會影響浮動油封油膜的形成，從而影響浮動油封的密封性能。
使用環(huán)境的影響。工程機(jī)械經(jīng)常會在泥沙、粉塵比較大的環(huán)境下作業(yè)，外部的泥沙、粉塵等從兩浮封座間隙侵入內(nèi)部，并板結(jié)在浮封座、浮封環(huán)和橡膠圈上。長時(shí)間會使橡膠圈擠出，污染物被反復(fù)擠壓最終穿透密封進(jìn)入。
對于這些應(yīng)用，建議設(shè)計(jì)增加迷宮或者遮罩保護(hù)。
橡膠圈的磨損。橡膠圈容易被泥沙等雜質(zhì)磨損，引起橡膠圈老化和撕裂，最好的辦法選擇耐磨的橡膠材質(zhì)，并在浮封環(huán)的外部加以防護(hù)。
在安裝浮動油封的時(shí)候應(yīng)該徹底的對浮封座腔體和各種密封件進(jìn)行清洗，將沾染上的油脂、灰塵以及其他金屬碎屑等殘留物徹底清洗干凈。然后在使用的時(shí)候再取出密封件，這樣就能夠防止將表面磨損。
在確認(rèn)了橡膠圈貼近金屬環(huán)的內(nèi)側(cè)之后，安裝上半個(gè)浮封環(huán)，浮動油封裝入座孔時(shí)，應(yīng)采用專門工具推入，防止位置偏斜。然后檢查密封件的位置，保證橡膠環(huán)與墻體的平行。沿著密封圓周至少在相隔 90°的 4 個(gè)部位檢查密封面至座孔本體表面的高速，其最大高度差應(yīng)小 1 mm，如果要調(diào)整高度，不可直接推拉浮封環(huán)，應(yīng)使用專用工具進(jìn)行推壓或上提橡膠圈。
確認(rèn)安裝合適后，先用干凈的抹布將金屬表面擦拭干凈，然后在表面上涂上一層油膜，目的防止油封安裝后運(yùn)轉(zhuǎn)初期密封面間發(fā)生干摩擦。在涂抹油膜時(shí)，注意不要涂抹在其他的地方，特別是橡膠圈與浮封環(huán)接觸面上不得有潤滑油。
然后安裝好另一半，將兩側(cè)的浮封座孔對正，然后緩慢仔細(xì)的將其組裝，注意避免密封面撞擊，否則可能損壞浮動油封。成對裝配的浮封環(huán)，兩外徑之差應(yīng)小于0.5 mm。
在安裝的時(shí)候如果需要更換新的零件，就需要將兩半全部換成新的，不能新舊混用，即使舊的密封件品質(zhì)仍然很好，也不能繼續(xù)使用。
1 浮動油封的密封原理
浮動油封一般是由一對浮動密封環(huán)（以下簡稱“浮封環(huán)”）、兩個(gè)橡膠圈、兩個(gè)浮封座等共六部分組成的密封系統(tǒng)（見圖 1），共五處密封要求。浮封環(huán)是一個(gè)軸向呈馬鞍形，由鐵合金材料制成的浮動式的端面密封環(huán)。橡膠圈是一軸向截面為圓形而截面直徑較粗的橡膠環(huán)。浮動座是含有一個(gè)內(nèi)錐面、起到托住橡膠圈與浮動環(huán)并使兩者在空間保持一定位置的座腔。
浮封環(huán)需成對使用，一個(gè)隨旋轉(zhuǎn)件旋轉(zhuǎn)（動環(huán)），另一個(gè)相對靜止（定環(huán)），在動環(huán)與浮封座之間以及在定環(huán)與浮封座之間的錐面處，各裝入一個(gè)具有圓形斷面的橡膠圈，在裝配預(yù)緊力作用下橡膠圈在浮封座形成的密封腔內(nèi)受軸向壓縮產(chǎn)生變形。產(chǎn)生垂直于浮封座錐面的彈力 Fb 和垂直浮封環(huán)錐面的彈力 Fc，彈力 Fc 分解為軸向分力 Fca 和徑向分力 Fcr。彈力 Fb 是橡膠圈與浮封座錐面緊密接觸實(shí)現(xiàn) b 處密封，彈力 Fc 是橡膠圈與浮封環(huán)錐面緊密接觸實(shí)現(xiàn) c 處密封，軸向分力 Fca 使兩浮封環(huán)密封面緊密接觸，實(shí)現(xiàn) a 處密封，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)密封系統(tǒng)的 5 處密封要求（見圖 2）。
浮封環(huán)的密封接觸表面寬度為 0.2～0.3 mm，內(nèi)部的錐形間隙有利于潤滑油進(jìn)入密封面。潤滑油通過毛細(xì)作用、旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心作用以及密封腔內(nèi)溫升后內(nèi)壓增大的作用進(jìn)入密封間隙，形成一層很薄的油膜，從而實(shí)現(xiàn)密封、潤滑及冷卻，同時(shí)還可避免兩浮封環(huán)接觸端面過度磨損發(fā)熱所引起的橡膠圈老化變形、失去彈性。當(dāng)浮封環(huán)亮帶磨損時(shí)，橡膠圈的彈性還可起到一定的自動補(bǔ)償作用。
2 浮動油封的材料
浮封環(huán)
由于鑄鐵基本組織多為索氏體珠光體或較細(xì)片狀珠光體，組織比較疏松，可吸收微量液體，形成含油摩擦面，改善潤滑狀況，并可通過調(diào)整其化學(xué)成分（尤其是金相組織）來滿足不同的性能要求，故鑄鐵的機(jī)械性能和耐磨性均較好，并且鑄鐵具有價(jià)格低，加工制造容易導(dǎo)熱系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，因此浮封環(huán)多采用合金鑄鐵。橡膠圈
橡膠圈所用材料要求具有良好的彈性、低的摩擦系數(shù)、能耐介質(zhì)的腐蝕、溶解和溶脹、耐老化、在壓縮之后及長期工作中有較小的永久變形、在高溫作用下使用具有不粘著性、低溫下不硬脆而失去彈性、具有一定的強(qiáng)度和抗壓性。因此一般情況下橡膠圈多采用丁腈橡膠，也可以選擇氟橡膠、硅橡膠、氫化丁腈橡膠等。浮動油封的失效分析
浮動油封雖然有著很長的使用壽命，但是也會由于各種原因，會造成浮動油封失效。下面分析一下浮動油封失效的原因。浮封油封的本身質(zhì)量問題。浮封環(huán)的材料、硬度、密封面的光潔度、錐面對基準(zhǔn)軸的同軸度，橡膠圈的硬度、耐老化性等都將影響浮動油封的密封效果。
浮動油封的安裝問題。如果安裝時(shí)不按照正確的步驟和要求進(jìn)行操作，會導(dǎo)致浮動油封的零部件發(fā)生變形、損傷，使浮動油封失效。如果不按照操作規(guī)程，有可能在安裝過程中進(jìn)入雜質(zhì)、毛屑等異物，引起泄漏。
密封端面的接觸比壓不均或者過大。作用在密封端面上的比壓均勻且大小適當(dāng)，比壓過小降低密封性能，比壓過大又會加劇密封端面的摩擦磨損。
浮封座設(shè)計(jì)制作加工問題。由于浮動油封必須與浮封座結(jié)合在一起，必須能夠嚴(yán)密的結(jié)合，而浮封座是否能夠跟浮動油封完美的匹配，直接影響著浮動油封的工作性能。所以，必須按廠家提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)或者浮動油封的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制作加工。
潤滑油的問題。潤滑油使用不合適會直接降低浮動油封的使用壽命，會使橡膠圈過早的老化，沒有彈性。潤滑油的清潔度也會影響浮動油封油膜的形成，從而影響浮動油封的密封性能。
使用環(huán)境的影響。工程機(jī)械經(jīng)常會在泥沙、粉塵比較大的環(huán)境下作業(yè)，外部的泥沙、粉塵等從兩浮封座間隙侵入內(nèi)部，并板結(jié)在浮封座、浮封環(huán)和橡膠圈上。長時(shí)間會使橡膠圈擠出，污染物被反復(fù)擠壓最終穿透密封進(jìn)入。
對于這些應(yīng)用，建議設(shè)計(jì)增加迷宮或者遮罩保護(hù)。
橡膠圈的磨損。橡膠圈容易被泥沙等雜質(zhì)磨損，引起橡膠圈老化和撕裂，最好的辦法選擇耐磨的橡膠材質(zhì)，并在浮封環(huán)的外部加以防護(hù)。
安裝浮動油封注意事項(xiàng)
浮動油封是否正確安裝對其密封性能有很大關(guān)系，所以安裝時(shí)注意以下幾點(diǎn)。在安裝浮動油封的時(shí)候應(yīng)該徹底的對浮封座腔體和各種密封件進(jìn)行清洗，將沾染上的油脂、灰塵以及其他金屬碎屑等殘留物徹底清洗干凈。然后在使用的時(shí)候再取出密封件，這樣就能夠防止將表面磨損。
在確認(rèn)了橡膠圈貼近金屬環(huán)的內(nèi)側(cè)之后，安裝上半個(gè)浮封環(huán)，浮動油封裝入座孔時(shí)，應(yīng)采用專門工具推入，防止位置偏斜。然后檢查密封件的位置，保證橡膠環(huán)與墻體的平行。沿著密封圓周至少在相隔 90°的 4 個(gè)部位檢查密封面至座孔本體表面的高速，其最大高度差應(yīng)小 1 mm，如果要調(diào)整高度，不可直接推拉浮封環(huán)，應(yīng)使用專用工具進(jìn)行推壓或上提橡膠圈。
確認(rèn)安裝合適后，先用干凈的抹布將金屬表面擦拭干凈，然后在表面上涂上一層油膜，目的防止油封安裝后運(yùn)轉(zhuǎn)初期密封面間發(fā)生干摩擦。在涂抹油膜時(shí)，注意不要涂抹在其他的地方，特別是橡膠圈與浮封環(huán)接觸面上不得有潤滑油。
然后安裝好另一半，將兩側(cè)的浮封座孔對正，然后緩慢仔細(xì)的將其組裝，注意避免密封面撞擊，否則可能損壞浮動油封。成對裝配的浮封環(huán)，兩外徑之差應(yīng)小于0.5 mm。
在安裝的時(shí)候如果需要更換新的零件，就需要將兩半全部換成新的，不能新舊混用，即使舊的密封件品質(zhì)仍然很好，也不能繼續(xù)使用。
浮動油封的試驗(yàn)
浮動油封從設(shè)計(jì)開發(fā)到最終出品要經(jīng)過多次試驗(yàn)測定和檢驗(yàn)，可分以下幾個(gè)方面。浮封環(huán)性能測試及質(zhì)量檢驗(yàn)
對浮封環(huán)的材料選擇及制造工藝進(jìn)行驗(yàn)證。通常包括材料成分分析、熱處理組織結(jié)構(gòu)的金相分析、金屬表面洛氏硬度試驗(yàn)、淬火后有效硬化層深度的測定、磨耗測試、表面粗糙度檢測、同軸度檢驗(yàn)、背錐面家督檢驗(yàn)等。橡膠圈性能及質(zhì)量測試
對選用橡膠圈的性能進(jìn)行測定，以便對應(yīng)不同應(yīng)用環(huán)境選用，并設(shè)計(jì)合適的壓縮變形，獲得理想的回彈力。通常包括對橡膠邵氏硬度的測試、橡膠拉伸性能的測定、橡膠回彈性的測定、橡膠耐液性能試驗(yàn)、橡膠熱空氣老化試驗(yàn)、橡膠常溫和高溫下恒定變形壓縮永久變形的測定、橡膠脆硬性溫度試驗(yàn)等。密封載荷測試
使用拉力試驗(yàn)機(jī)對指定的浮封環(huán)、橡膠圈、浮封座的組合進(jìn)行測試，測定其壓縮變形和回彈力的關(guān)系。根據(jù)浮封環(huán)密封面的要求密封載荷（接觸比壓）合理設(shè)計(jì)浮動油封的相關(guān)尺寸。靜密封測試
可以采用如圖方法，將成對清潔的浮封環(huán)對合好放在 0 級平臺，底部可加橡膠墊或涂油脂，頂部加上配重的壓環(huán)，倒入適量煤油，要求 10 min 浮封環(huán)面不得有泄漏和滲油。壓環(huán)的質(zhì)量可參考下表。
