浮动密封在工程机械行走轮中的应用

1浮动密封在工程机械行走轮中的应用汪燮民（昆山土山建设部件有限公司，江苏昆山215315；）摘要：对履带式工程机械行走轮子中应用的浮动密封组件进行密封机理的分析，明确密封的性能取决于工作面之间轴向压力和润滑膜的状态。装配过程中O形橡胶圈的受压变形和翻转所产生轴向压力会随工况和时间的推移发生极大的变化。两者影响到润滑、密封效果和磨损寿命。本文给出轴向压力变化、O形橡胶圈的形变等的模拟分析模型，为今后的改进或许能给大家一些参考。关键词：工程机械；行走系；浮动密封；压力中图分类号:TH136文献标志码：B文章编号：□□□□-□□□□（2015-□□）浮动密封是一种动密封，其形式特殊，结构紧凑，在恶劣的工作条件下仍具有超强的密封性能。由于它具有抗污染能力强、耐磨损、耐冲击、可靠性较高等优点，在工程机械履带式行走系的支重轮、托链轮、导向轮等都被采用。在其它低速、重载、工作环境恶劣场合下工作的机械设备也都有充分的应用。为了更好发挥浮动密封的密封性能，本文对以下方面进行分析，以进一步了解其作用机理和从其安装、使用、维护等方面，并提出一些有益的建议供大家参考。一．浮动密封在轮子中的应用浮动密封由浮动密封环、橡胶O形圈和浮动密封座构成，并成对使用，组成一组。在工程机械的履带式行走系中，根据轮子的结构，使用两组或一组。使用有两组浮动密封在轮子中的位置见图1。动浮动密封座静浮动密封座O形橡胶圈动浮动密封环静浮动密封环轴动浮动密封座静浮动密封座O形橡胶圈动浮动密封环静浮动密封环轴图1浮动密封在轮子中的位置图2浮动密封的基本结构二．浮动密封的基本结构形式浮动密封的基本结构形式见图2所示。一组浮动密封有两个成对的浮动密封环、两个橡胶O形圈组成，成为一个浮动密封对。作为使用它还必须包括定位浮动密封对的相应的密封座。浮动密封对中的一侧（包括浮动密封环和O形橡胶圈），通过O形橡胶圈定位在相对固定的密封座中（一般是叫做卡拉的、与轴固定在一起，并与行走系的机架固定），称作静环；另一侧通过O形橡胶圈定位在轮体（或铁套）的密封座中，随轮子一起转动，称作动环。2浮动密封环的内径大于轴的直径，因此，两个浮动密封环只是通过O形橡胶圈与外部联接，由于橡胶圈的弹性，两个环呈微量的浮动状态，有一定的可动量。但在轮子中，不能在与O形橡胶圈产生滑动，O形橡胶圈也不能与浮动密封座之间产生滑动。两个浮动密封环的工作面在O形橡胶圈的变形力作用下紧密对合，起到防止润滑油向外泄漏的密封作用。轮子内部润滑油在两个环的工作面上形成的油膜，减少了动环与静环工作面之间的摩擦，以降低磨损。三．浮动密封环工作面的润滑浮动密封环在轮子中的目标功能是：在自身转动过程中保持内部的润滑油不向外泄漏，它是通过浮动密封环的工作面的密切对合来实现的。两个浮封环工作面形成一对摩擦副。工作面间的润滑是必须的。虽然在浮动密封环工作面的内侧形成的楔形空间并处在有润滑油的环境中，但由于两个浮动密封环工作面只是低速的圆周向滑动，不具备流体润滑的基本条件。由于润滑油与金属表面的良好吸附作用，在两工作表面上生成极薄的润滑摸，因此，在工作面之间，作为边界润滑的形式存在。由于边界油膜的厚度通常小于１微米，不足以将两金属表面完全分隔开，在作相对运动时，两工作面上微观的高峰部分仍将互相搓削，不可避免产生边界摩擦。见图3。一般而言，金属表层覆盖一层边界油膜后，虽不能绝对消除表面的磨损，却可以起着减轻磨损的作用。这种状态的摩擦系数f≈0.1～0.3。浮动密封环金属接触边界吸附膜润滑油膜P浮动密封环金属接触边界吸附膜润滑油膜P内侧内侧图3边界润滑模型图4内侧工作面磨损咬合状态但是，润滑油膜的形成和保持是有条件的，由于机械的工况、润滑条件的不同，油膜在工作面上的分布以及润滑状况也不一样，根据润滑油膜厚度的不同，磨损量也不同。若摩擦表面上的载荷增大，温度增高，润滑剂的粘度减小时，油膜厚度也减小。如果在摩擦面间的油膜厚度继续减薄，进而发生破裂。形成局部的干摩擦，磨损现象即迅速剧增，甚至发生咬合。图4是浮动密封环内侧工作面磨损咬合的痕迹。为了防止安装初期浮动密封工作面之间干摩擦的发生，必须洁净并充分均匀薄涂润滑油到工作面上。而并非传统习惯的如图5左图那样在环形工作面上均匀三处点油即可，因为这样不太可能在两个浮动密封环对合时会均布到整个工作面上。从图5右就可以看到受压后的扩散范围是很有限的。因此，对浮动密封的工作面来说，从准备装入到轮子中去那一刻开始，一定要确保其能充分形成润滑油膜。3图5点状滴油不能布满全周四．浮动密封工作面之间的压力为了浮动密封环工作面能密切对合，必须对其施加一定的轴向压力。两个浮动密封环在工作时要产生相对的圆周运动，所以两个工作面之间必然会存在一定的缝隙。缝隙的大小影响到两工作面的工作状态，缝隙过小则增加了摩擦，缝隙偏大又会导致泄漏的发生。下面分析浮动密封环工作面上的压力来源。当装配的初始阶段，先将O形橡胶圈套到浮动密封环小口端上成组件，然后采用适当的工装将此组件推上浮动密封座大口端里，假设O形圈处于原始的平整状态，没发生弯曲和扭曲等变形，只是O形橡胶圈只受到径向平面上较小的压缩力。因此，对浮动密封环来说也只是径向平面上的压力而已。当浮动密封环对合装配开始时，浮动密封环开始受到轴向压力，O形橡胶圈在两个圆锥面之间开始受到压缩并翻转，浮动密封环与浮动密封座之间的距离变小，直到设计设定的位置为止。这一装配过程见图6所示。推进开始时推进1推进2推进结束AABABABABABABAB4图6浮动密封租金进入浮动密封座的过程由上述过程图示可以看出，O形橡胶圈在进入过程中除了受到径向压缩外，还受O形橡胶圈与两个锥面的摩擦作用绕截面中心的翻转。当推进结束后，此时O形橡胶圈整体变形力企图释放，将使浮动密封环的工作面受到最大工作压力。实际装配中浮动密封工作面上受到的密封压力随推进程度的变化如表1所示;工作面压强比较0246810121410.59.58.57.56.55.54.53.52.51.5轴向间隙mm工作面压强Kgf/mm2平均1平均2平均3平均4平1平2平3平4表1装配过程中浮动密封环工作面的压力变化表中为两个供应商提供的两组橡胶圈的装配测试记录，从表中可以看出浮动密封环工作面上的压强相差较大，浮动密封环和密封座是同一的，主要原因是橡胶圈的直径、截面尺寸和材料的原因所致。五．浮动密封环工作面上力的变化众所周知，装配后浮动密封环工作面所受到的密封压力P来自橡胶O形圈的变形和翻转。从图7中可以看到：P=F图7O形橡胶圈与浮动密封环工作面受力分析力F是O形橡胶圈受到压缩变形后的回弹力对浮动密封环锥面的法向力F法，和翻转变形后回复扭矩M回对浮动密封环锥面的切向作用力F切的合力。从图中可以看出：O形橡胶圈翻转所产生的回复扭矩对锥面的切向作用力是F的主要成分。使用中，如果由于锥面粗糙度不足、锥面沾油、O形橡胶圈性能降低等原因造成O形橡胶圈翻转变形消失，那么浮动密封环工作面上的密封压力仅由法向变形力产生。见图8。20°12°FF′F切F法F′法F′切PABＭ回20°12°FF′F切F法F′法F′切PABＭ回520°12°F切F法F′法Ｍ回×F径F轴PAB20°12°F切F法F′法Ｍ回×F径F轴PAB’20°12°F切F法F′法Ｍ回×F径F轴PAB20°12°F切F法F′法Ｍ回×F径F轴PAB20°12°F切F法F′法Ｍ回×F径F轴PAB20°12°F切F法F′法Ｍ回×F径F轴PAB’图8失去翻转回复力扭矩时浮动密封环工作面的受力此时，浮动密封环工作面上的密封压力P，只是由O形橡胶圈的压缩回弹力对锥面的法向力F法的水平分力F轴生成，此时的密封压力P远小于装配当时。本例中，浮动密封环的锥面为20度角，经计算得出：F轴=P初始×Sin20°×Sin20°=0.117P对于常用的浮动密封环的不同背面锥角，当O形橡胶圈丧失翻转所形成的回复扭矩时，浮动密封环工作面密封压力P’将大大降低，变化情况见表2所示。浮封环背面锥角α作用力之间的关系F法=P×SinαF轴=F法×Sinα:P’:P=15°F法≈0.26PF法≈0.068P1/14.7118°F法≈0.31PF法≈0.096P1/10.4220°F法≈0.34PF法≈0.116P1/8.6222°F法≈0.375PF法≈0.141P1/7.09表2浮动密封环背面锥角对密封压力的影响六．关于O形橡胶圈O形橡胶圈在浮动密封中，是浮动密封环工作面密封压力的力源，也是浮动密封环与密封座之间的静密封元件。O形橡胶圈在装配过程同时受到压缩和翻转，安装结束时截面网格形状见图9.右。ABAAB12°20°12°20°图9装配前后浮动密封中的橡胶圈横截面网格O形橡胶圈刚装配到轮子中时，由压缩和翻转所产生的对浮动密封环工作面的密封压力为最大。随着时间的推移，由于橡胶圈位置的变化、翻转的回复，受内部润滑油的浸润，外部温度的变化，橡胶圈本身材料性质随时间推移的老化、压缩永久变形的生成等原因，浮动密封环工作面的密封压力会逐渐降低，直至达不到浮动密封环工作面所需的最低密封压力´6导致密封失效。为了延长轮子的使用寿命，设计时应采用耐老化、抗永久变形性能好的橡胶材料。另外，在保管和装配使用中，O形橡胶圈应避免与香蕉水等有机溶剂的接触，避免破坏橡胶材料的力学性能。图10是O形橡胶圈（小段）浸泡香蕉水20小时前后的变化，都变得粗大和松软。图10O形橡胶圈接触香蕉水前后的变化七．浮动密封环的结构形式浮动密封环基本有三种结构形式，见图11所示，常用形式为内侧为小角度锥面的结构，在轮子工作时，很容易由与楔形间隙的作用将垃圾、磨屑等赃物挤入到工作面之间，加剧工作面的磨损。最理想形式应该是台阶式结构，因为它可以通过台阶边缘的锐口，有效地将附付在润滑油中或浮动密封环工作平面周边的垃圾、磨屑等赃物从工作平面上刮除，见图12所示。台阶式浮动密封环在制作上有一定的难度，但它的使用寿命会由于其他结构形式。在制作和装配过程中，一定要保护好边缘的锐口不受损伤。αRR’内球面式阶梯式圆锥面式αRR’内球面式阶梯式圆锥面式图11浮动密封环的基本结构形式图12台阶式浮动密封结构八．结束语浮动密封环是否能长期维持密封作用，首先在于其材料和工作面的加工质量，粗糙度和平面度至关重要；其次，O形橡胶圈的性能及合理的设计参数，这是确保浮动密封环工作面密封压力的根本。当然，过大的密封压力会导致润滑油膜的破裂，造成金属之间的干摩擦，密封压力偏小，漏油现象容易发生。如何实现持久、恒定的轴向压力是今后的主要课题。制造加工、装配、使用等每个环节也需要深入分析，这样才能更好地发挥浮动密封在恶劣环境中的优异特性。