密封分类、原理、结构、应用、选型(中级)

3、密封分类、原理、结构、应用、选型(中级)1密封的定义、分类及原理常见密封件的结构及应用常见密封系统的选型2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。3泄漏分为内泄漏和外泄漏两类。对于液压传动系统，内泄漏会引起系统容积效率的急剧下降，达不到所需的工作压力，使设备无法正常运作；外泄漏则造成工作介质浪费和污染环境，甚至引发设备操作失灵和人身事故。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。4密封的分类动密封往复密封旋转密封静密封O形圈、方形圈、组合垫片、金属垫片迫紧密封(挤压形密封)O形圈、鼓形圈、蕾形圈、山形圈、D形圈、组合密封唇形密封Y形圈、V形圈旋转油封有骨架、无骨架油封，有簧、无簧油封，单唇、双唇油封机械密封5二、密封原理流体润滑理论弹性力学有限元法实验应力分析技术密封机理涉及的学科密封机理涉及的学科密封件分类1、挤压型密封圈2、往复运动密封圈3、旋转轴用密封圈6Profileunderpressureloading/承受压力状态(Radialstressdistribution)径向压力分配情况Mediumunderpressure/受压介质Primarylip/主密封唇EXAMPLE/举例:FiniteElementsAnalysis有限元结构分析7密封机理•动密封的密封机理•动密封不能单纯依靠封闭结合面间的间隙来实现密封，因为结合面间的间隙密封得愈紧密，对偶表面相对运动时的摩擦阻力就愈大，导致结合面发热，影响润滑油膜的形成，使密封很快失效。因此，对动密封作用机理的研究，集中在结合面间形成与保持润滑油膜的机理方面，这样既可保持密封，又不致于有过大的摩擦力。8静密封的密封机理•静密封是依靠封闭结合面间的间隙以实现密封作用，不需要考虑摩擦与磨损。密封表面的泄漏是由密封圈的材料性质、配合表面的加工精度、粗糙度和压紧程度决定的。使用橡胶和软金属等类材料，用较小的压紧力就可以完全压紧，从而阻止流体的泄漏；对于较硬的金属垫圈，有时使用较大的压紧力不能完全压紧，以致密封性差，但如降低表面粗糙度，增加表面真实接触面积，用较小的压紧力也可以改善密封性能。•为使密封圈在流体压力作用下保持密封，通常在设计时规定极限密封比压值，此极限密封比压是指密封圈在流体压力作用下仍能保持密封可靠性时的比压。考虑到密封力与内压力之间的定性关系(局部非线性)，实际使用时应该使初始密封力达到与极限比压相当的极限比压以上，使用时才较为安全。9挤压型密封圈典型挤压密封件（用于静密封和低速动密封）10挤压型密封圈原理：预密封作用:密封圈压缩——密封面变形——初始压缩应力自密封作用:流体通过——应力等于初始应力+流体压力——大于流体压力11挤压密封原理举例8~25%的压缩量产生反弹力起预密封作用举例O形圈用于静密封时密封原理流体压力P传递给接触面而形成的接触应力分布12总的最大接触压力：P3max=P1max+kP式中：P——流体压力k——流体压力传递系数K≈1P1max——最大初始接触压力P3max——总的最大接触压力当P3max＞P时，即可以保证可靠的自密封。举例O形圈用于静密封时密封原理13往复运动密封圈往复运动密封圈的结构形式（三类））1、标准型V形、U形、Y形、L形、J形、鼓形、蕾形等2、变异型3、滑环组合密封等14唇形密封圈结构V形、U形、Y形、L形、J形等将密封圈的受压面形成唇形并具有压力强化作用唇口15唇形密封圈的密封原理：P=Pri+Prp式中：Pri——预压紧力Prp——流体压力唇形密封圈具有比挤压型密封圈更显著的自密封作用。16旋转轴唇形密封圈普通标准型油封的断面图（主要由3部分组成）17旋转轴唇形密封圈的密封原理•接触面出现三种情况，不断交替产生。干摩擦产生磨损，流体润滑产生泄漏，在边界润滑下形成流体动压油膜起密封作用干摩擦流体润滑边界润滑18油在密封唇口下形成的边界润滑油膜示意图•油膜厚度约0.0025mm1920O形圈应用知识密封机理：O形密封圈是一种自动双向作用密封元件。安装时其径向和轴向方面的预压缩率与O形密封圈自身的初始密封能力。它随系统压力的增大受挤压而产生应力，从而达到密封效果。21O形圈密封方式常用密封：1.静密封（轴向静密封和径向静密封）2.动密封（液压往复运动）3.动密封（气压往复运动）特殊密封：1.转动密封（旋转运动）；2.滑动密封（往复运动）；3.浮动密封（往复运动）；4.开关密封（开或关）。22O形圈密封特点优点：1.结构简单，体积小，安装部位紧凑，所需安装空间小；2.具有自密封作用，不需要周期性调整；3.静密封可以做到不泄漏；4.适应性大，使用简单，用途广；5.品种丰富，价格便宜。缺点：1.用于压缩密封时，起动摩擦阻力大；2.如使用不当，容易引起O形圈切、挤扭、断等事故；3.动密封还很难做到不泄漏，只能控制其渗漏量不大于规定许可值；4.某些场合使用，往往需要加装保护挡圈和防尘圈。在气压和水压等密封中，有时还需配备润滑附属装置。23Part3.1O型密封圈1.主要性能O形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。图5-1O形密封圈d1—O形圈内径d2—O形圈截面直径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。24O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。252.用于静密封时的密封原理当没有介质压力时，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p0，如图5-2a所示。图5-2O形密封圈的静密封原理a)空载状态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26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。图5-2O形密封圈的静密封原理b)承载状态2.用于静密封时的密封原理273.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。图5-3O形密封圈的动密封原理28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。29O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。4.应用30O形密封圈的拉伸量α和压缩率εc可按下列公式计算（5-1）（5-2）式中d2—O形密封圈截面直径；D—O形密封内径；D1、D2、D3，如图5-5（见教材P232）所示；h—O形密封圈安装空间的高度，即223121DDDDh或dc—O形密封圈安装空间的高度，即：3502.cckddkc—系数，一般取kc=1.25~1.45。223222dDdDdDdD或%100cccdhd31O形密封圈的拉伸量和压缩率的选用范围，见表5-5。表5-5O形密封圈的拉伸量和压缩率的选取范围密封型式密封介质拉伸量α/mm压缩率εc(%)静密封液压油空气1.03~1.041.0115~2515~25往复动密封液压油空气1.021.0112~1712~17旋转动密封液压油0.95~15~10由表5-5可知，静密封的压缩率大于动密封，但是其极值应小于25%。否则压缩应力明显松弛，将产生过大的永久变形。在高温工况中，尤为严重。然而压缩率也不宜过小，否则当装配部位存在偏心时就会消失部分压缩量，也会导致泄漏。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。32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。图5-6O形密封圈挡圈的安装a)单向受压b)双向交替受压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。33O形圈标准•旧国标GB1235－76规定的O形圈截面直径（又称线径）有1.9、2.4、3.1、3.5、5.7等，O形圈采用“外径×线径”的标记方法，一般称为老国标；•新国标（GB3452.1-82与GB3452.1-92）GB3452.1-82与GB3452.1-92基本相同，一般称为新国标，它规定的O形圈截面直径有1.8、2.65、3.55、5.3等，新国标采用国际惯例，O形圈采用“内径×线径”的标记方法。•日本标准（JISB2401）(线径1.92.43.13.55.78.4，G系列为静密封专用,P可动静密封通用)•德国标准DIN3771/1•美国标准（AS568）•国际标准（ISO3601/1）•英国标准BS1516（线径1.782.623.535.337.00）34O形圈工作条件1.材料:合成橡胶（一般为丁腈橡胶）2.工作介质:石油基液压油和压缩空气3.工作温度:一般场合：-30℃～+110℃；特殊橡胶：-60℃～+250℃；旋转场合：-30℃～+80℃4.工作压力:无挡圈时，最高可达20MPa；有挡圈时，最高可达40MPa；5.工作速度:一般小于等于0.2m/s，最大往复速度可达0.5m