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科学论文:一种新型旋转轴密封-齿形滑环式组合密封

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一种新型旋转轴密封-齿形滑环式组合密封

(发表于《机械工程师》2000年8期,略有改动)

陈社会

  要:介绍了齿形滑环式组合密封的结构、工作原理及应用情况,与其他旋转轴密封相比,该密封具有高寿命、低摩擦、密封性能优良及结构简单、适应性强等特点。

关键词:组合密封;滑环式;齿形;泄漏

引言

   按运动方式不同,动密封可分为往复运动密封和旋转轴的密封。旋转轴的密封以前常采用填料密封,现多采用油封和机械密封。但油封不能承受高压(一般国产耐压型油封最高工作压力不超过3MPa,国际上最高不超过10MPa),且工作条件受到严格限制,难以应用到如泥沙、水泥泥浆及有强腐蚀性介质的密封上;机械密封虽可承受高压至40MPa,但结构复杂,一次性投入大,成本高,一般应用于石油化工等领域。

随着现代机械设备逐步向高压、高温、高速发展,对密封件要求也越来越高。齿形滑环式组合密封(以下简称齿形密封)正是为适应这些要求而研制开发的新型旋转轴密封件。该密封是“车氏密封”的一种,发明人为车恒德先生。

1 结构形式和密封机理

1.1基本结构

    所谓滑环式组合密封,一般由一个增强聚四氟乙烯的滑环(也有采用尼龙材料)和橡胶弹性体(一般为O形橡胶圈)组合而成。常见的如图1所示的阶梯形同轴密封件(斯特封)、方形同轴密封件(格来圈)。它是利用增强聚四氟乙烯的耐磨性来提高密封件的使用寿命,O形圈起弹性施力和静密封作用。此类密封件具有较高的使用寿命和较低的摩擦阻力,但单件使用具有较大的泄漏量,据文献记载泄漏量是橡胶O形橡胶圈的2~3倍,一般运用于液压往复运动密封。

   齿形密封由一个密封唇像齿形的增强PTFE滑环和一个O形橡胶圈组合而成,如图2(a)所示。PTFE为美国杜邦公司1938年研制成功的,摩擦系数小,仅为0.02~0.04;具有自润滑特性,几乎可耐受所有化学介质浸蚀,故又称“塑料王”;温度适应范围宽,可在-100℃~+250℃范围内长期工作。根据不同的工况条件填充一定比例的添加剂如铜粉、碳纤维、二硫化钼、石墨、玻璃纤维等。填充增强的PTFE具有极高的耐磨性(较纯PTFE提高1500多倍),良好的物理机械性能。O形橡胶圈采用GB3452.1国标系列,作为静密封可以实现完全的密封。

1.2密封作用机理

     齿形滑环一般设计有两个密封唇,前一个是主密封唇,具有特定的几何形状;后一个为副密封唇,起阻隔油膜和防尘作用。O形圈起提供弹力和相对于壳体和滑环的静密封作用。唇口的方向应朝向压力方向。O形圈具有预压缩,压缩率一般取11%~20%,因此产生一定的径向力—“抱紧力”,使滑环主密封唇紧紧贴合在被密封表面以实现密封。随着压力的增高,密封的“抱紧力”越大,密封唇和轴的贴合越紧密,故压力越高密封性越好。O形橡胶圈被滑环的侧边挡着,因而不会被“挤出”,可以耐受高压。

     滑环主密封唇口具有特定的几何形状,其主要作用:一是在密封部位产生较尖锐的径向力,有利于建立理想的润滑油膜,即保持“临界油膜”厚度(理想的油膜厚度为2.5um);二是有利于轴高速旋转形成的有害摩擦而转化的热量散失。因而齿形滑环式组合密封尤其适用于旋转轴的密封。

     常规滑环式组合密封(通常指格来圈、斯特封)之滑环较“厚硬”,当工作一段时间后形成磨损,即产生一定的间隙。O形圈不能提供足够的力使“厚硬”的滑环产生足够的变形予以补偿,因而长期工作后泄漏量较大。加之PTFE材料缺乏弹性,较橡胶密封制品“跟随补偿性”差,因此在高速、低压及有振动偏心场合泄漏量更大。齿形密封针对性地进行了改进,创造性地采用了“薄唇”滑环结构。滑环唇部较薄,易于变形,O形圈提供的弹力能够使薄唇的滑环产生足够的变形以补偿极其细微的磨损量,即齿形滑环式组合密封具有自动补偿的功能,因而具有良好的密封性和极高的使用寿命。

2   齿形密封的特点及其基本结构形式

2.1齿形密封的特点如下:

1)工作寿命高,是常规橡胶密封制品的2~10倍。

2)摩擦力小,仅是橡胶密封制品的1/2~1/4。

3)具有主副两个密封唇,密封性能极佳。

4)可根据需要对油膜厚度进行调整,密封性能可靠。

5)结构简单,安装方便。

6)适应性强。

2.2 齿形密封适用工况条件

齿形密封适用工况条件见下表。

2.3 齿形密封的基本结构形式

    齿形密封的基本结构形式如图3所示。

3 齿形密封在生产实践中的应用

    齿形密封自投入市场以来,以其高寿命、低摩擦、密封性良好以及结构简单适应性强等特点受到用户欢迎。可广泛应用于石油化工、冶金、机电、液压气动以及军事工业等行业的泵、马达、齿轮箱、减速机、反应釜等旋转轴的动密封部位,亦可应用于一般往复运动密封。如应用于沈阳某军工厂一出口空间产品上,介质为高渗透易燃易爆气体——氢气,无油润滑。原密封为常规橡胶密封制品,每运转半小时必须停下来冷却。采用齿形密封后,连续运转不停歇,且寿命较原密封提高近20倍;应用于徐工集团亚洲最大的KHU2000型钻机密封,旋转轴径为?530mm、?500mm,工作介质为水、泥沙混合物,旋转速度近5m/s。在设计选型时,该公司曾咨询了德国某跨国密封公司等外国公司,后决定选用齿形密封,现处于良好的运行中,并已推广应用至其他系列;承德石油配件厂生产的石油钻井用平板阀,工作压力为70 MPa。原用美国原装进口密封,但摩擦力大、寿命短。采用齿形密封后,很好地解决了上述问题;用于济宁伊顿液压有限公司JH轴配流马达替代原近口美国密封,受到用户好评;用于常州三环生物工程有限公司SFM30、SFM50、SFM100、SFM200生物反应釜上,该产品为高速、高温且要求无污染长寿命,采用齿形密封后解决了原用机械密封结构复杂、调整不便以及寿命短的问题,并降低了成本;徐州矿务局二机厂生产的HZS75型混凝土搅拌站,介质为极其恶劣的水泥泥浆,密封寿命提高了近8倍等。齿形密封已通过了江苏省科委鉴定,专家委员会一致认为该产品技术性能达到国内领先和国际先进水平,填补了国内空白。该产品于1999年被批准为国家重点新产品和江苏省高新技术产品。

[参考文献]

[1]何大钧,王孝培,等.液压泄漏控制[M].科学技术出版社重庆分社,1989.

论文出处《机械工程师》2000年第8期

作 者 简 介

    陈社会,青岛睿辰密封科技有限公司技术总监,密封件专家,从事液压密封件应用研究20余年。先后完成专利发明20余项,在国家级刊物发表科技论文数篇。其中《一种新型旋转轴密封--齿形滑环式组合密封》荣获优秀学术成果一等奖并入编《中国当代思想宝库》等。先后获得获得省级科技进步二等奖一项(新型滑环式组合密封(车氏密封)),市级科技进步三等奖一项。陆续主持完成了多项科研活动,其中《高性能齿状Y形组合密封》被列入青岛市科技计划。

    早在十余年前,就在国内率先开发多项密封产品,其中Y形滑环密封圈(CN210135240U)和加强型直角滑环式组合密封等,目前已经成为国内高压、超高压、水压密封件的主导产品;加强型齿形组合密封,又称水泥浆密封,成为解决水泥浆等恶性介质密封难题的常用密封产品,深受用户欢迎。近年来,又相继开发成功了梯形组合密封圈(专利号CN210153217U)、可实现无橡胶的重型自密封v组(专利号CN201920960557.8)等用于高压、超高压、水压工况的系列产品和用于高速高压旋转工况的全四氟油封、可监控四氟油封(CN201510393650.1)等十余项专利技术。产品广泛应用于食药机械、橡塑机械、工程机械、锻压机床、环保、铁路、石油石化、军工等军民产品。2018年,以陈社会领衔的青岛睿辰密封科技有限公司的专题片《密封里的探索者》在CCTC《匠心》栏目以及全国300余家地方电视台成功播出...