油封的設(shè)計與開發(fā)

1、油封的設(shè)計與開發(fā)油封結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要根據(jù)是使用條件、裝配條件和環(huán)境條件。設(shè)計中應(yīng)考慮密封性能、使用壽命、材料、制造工藝和經(jīng)濟性等因素。進行油封的設(shè)計時，首先要選擇合適的油封材料，所用的膠料配方要能提供一個合理的綜合性能，可以滿足耐溫、耐油、耐磨和工藝性能良好的要求。 油封的使用參數(shù)和設(shè)計參數(shù) 在結(jié)構(gòu)設(shè)計中使用參數(shù)和設(shè)計參數(shù)應(yīng)該相適應(yīng)。設(shè)計參數(shù)和使用參數(shù)的關(guān)系可用表1來說明。表1 設(shè)計參數(shù)和使用參數(shù)之間的關(guān)系  在進行油封結(jié)構(gòu)設(shè)計時要考慮下圖結(jié)構(gòu)參數(shù)。 (1)唇部過盈量（d-d1） 如果過盈量大，造成唇口過分伸張，容易老化、磨損，縮短使用壽命。如果過盈量小，則密封性能

2、不好。因為過盈量與整個唇部徑向力有關(guān)，所以應(yīng)綜合考慮。表2所示的過盈量數(shù)值僅供參考。表2 不同軸徑的過盈量 (2)彈簧位置“R”值 該數(shù)值在設(shè)計上是個理論接觸寬度?！癛”值大，接觸寬度大，摩擦也大?！癛”值小，不利于密封。表3中的彈簧位置“R”值可供參考。表3 不同軸徑的"R"值  (3)腰部長度 腰部長度提供的徑向力約為油封唇部徑向力的50%，它對于保持一個低數(shù)值的徑向力是重要的，要達到此目的的一個方法就是延長油封腰部的長度。但是一般油封外徑長度已經(jīng)標準化，即使未標準化的裝配空間也限定了這個寬度，因此，腰部的直線長度被限制，通過腰部直線部分導(dǎo)出一個曲線

3、的彎曲截面可以解決這個問題。 (4)腰部截面厚度 實驗中發(fā)現(xiàn)，即使在低壓情況下也容易造成圖 (A)的變形，而單純加厚腰部又不利于唇口的跟隨能力。腰部增厚減弱了彈簧的作用，不如薄腰對偏心的跟隨能力好。為解決腰部變形和跟隨能力的矛盾，建議將腰部改為圖 (B)的形狀。這樣既加強了腰部的剛性又不致于影響對偏心度的跟隨能力。 (5) 頭頂面長度 在有些油封結(jié)構(gòu)斷面圖形中把頭部頂面長度(t)設(shè)計成與彈簧槽半徑(r)相等，但在使用中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)彈簧自行脫落的現(xiàn)象。為了避免彈簧脫落，設(shè)計時要使t大于r，至少要滿足下列關(guān)系：t= 4/3 r。 (6)彈簧槽的形狀 許多油封在彈簧槽的設(shè)計上都出現(xiàn)過一個誤區(qū)，

4、將彈簧槽半徑(R)和彈簧圓半徑(r)設(shè)計成不同數(shù)值，實驗驗證發(fā)現(xiàn)有的油封唇上有兩個接觸帶。因此，當R=r時唇口應(yīng)力分布狀態(tài)最好，只有一個接觸帶。但是往往由于模具加工、膠料收縮等原因，在制造上很難做到兩者絕對相等，只能維持兩者相差不大。 (7)金屬骨架的設(shè)計 金屬骨架的主要功用是加強油封的結(jié)構(gòu)剛性。其厚度和配置方法視油封的工作條件和裝配條件而定。 (8)彈簧圈 油封中所用的彈簧有兩種類型，即吊帶式彈簧和板彈簧。兩種彈簧中以吊帶式彈簧應(yīng)用最為普遍。彈簧的直徑、展開長度、鋼絲直徑纏繞圈數(shù)計算，可參考有關(guān)標準和機械設(shè)計手冊。 (9)徑向力 徑向力是個極為重要的參數(shù)，它對油封的使用性能的作用概括如下：

5、1 徑向力太小時，密封性能不好；2徑向力太大時，產(chǎn)生磨耗，縮短使用壽命；3徑向力直接影響接觸區(qū)域的摩擦及溫度，徑向力過大時，摩擦生熱大，加速唇口老化；4軸的磨損也受徑向力的影響；5軸與殼體偏心時，要采取相應(yīng)的徑向力以保證唇口有合適的跟隨能力；6徑向力限制了介質(zhì)的使用壓力，如介質(zhì)壓力過大，則徑向力再增大會使油封壽命縮短。 油封材料 目前油封的制造材料以合成橡膠為主體，由于其選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計都是左右油封密封性能和使用壽命的主要因素，因此，正確掌握橡膠的性能以適當?shù)剡x擇所用的橡膠材料非常重要。到底選擇哪種橡膠作為油封材料最合適？這應(yīng)根據(jù)油封的關(guān)聯(lián)參數(shù)來決定，即：對軸的徑向力應(yīng)高到足以防止油封泄漏，低到

6、能維持一定的油膜厚度以保持低的摩擦熱；油封應(yīng)該具有足夠的過盈量，以克服使用中的偏心度影響；唇部在接觸區(qū)的面積也是決定因素之一。 油封材料直接影響上述三個參數(shù)，因為材料隨時間和溫度而變化，各個關(guān)鍵參數(shù)也隨著變化，比如：隨溫度增加、材料的模量降低、使徑向力發(fā)生變化。熱膨脹、密封介質(zhì)所造成的材料溶脹、膠料的軟硬度等均影響徑向力和過盈量。 基于上述原因，在選擇油封材料時要考慮如下特性：與密封介質(zhì)相容，不因密封介質(zhì)發(fā)生溶脹、硬化等現(xiàn)象；具有良好的耐熱性、耐磨性；具有適度的彈性，能適應(yīng)軸的粗糙度和偏心度變化。 由于橡膠材料的配方變化很多，新材料不斷出現(xiàn)，現(xiàn)有材料也不斷得到改進。以下僅對制造油封最常用的丁腈

7、橡膠、聚丙酸酯橡膠、硅橡膠、氟橡膠和聚四氟乙烯進行簡要說明。 丁腈橡膠 在密封件的制造材料中，丁腈橡膠的用量可能要大于其它彈性體的總和。丁腈橡膠的化學(xué)成份為丁二烯和丙烯的共聚物，丙烯含量在18%40%之間，分為“低”、“中”、“高”丙烯含量的丁腈橡膠。丁腈橡膠的耐油性，隨丙烯含量增加而提高，但同時低溫曲撓性卻隨之下降。為了獲得良好的低溫性能，常常要犧牲一些耐高溫燃料和油類的性能。丁腈橡膠具有良好物理性能，其耐冷流、抗撕裂和耐磨性比其它大部分橡膠都好，但是不耐臭氧、天候和日光，這方面的性能可以通過配方設(shè)計進行改進。丁腈橡膠適用于石油基油、燃料油、水、硅油和硅酯以及乙二醇的混合物。但不適于與EP油

8、、鹵化碳氫化合物、硝基碳化物、磷酸酯流體、酮類或強酸及某些汽車剎車油等接觸。 聚丙烯酸酯橡膠 聚丙烯酸酯（ACM）橡膠為丙烯酸烷基酯為主體與其他不飽和單體的乳液共漿物。通常采用的丙烯酸烷基酯是乙烯乙酯和丙烯酸丁酯。聚丙烯酸酯橡膠的性能介于丁腈橡膠和氟橡膠之間。由于其分子主鏈上不含有雙鍵，使其具有較高的耐熱、耐臭氧和天候的性能。側(cè)鏈上含氯（Cl）或(CM)的官能基團，又使其具有優(yōu)異的耐油性，可在170180的熱油中使用。該膠的主要特點之一是在178條件下耐礦物油，雙曲線油和黃油性能好。耐老化和彎曲龜裂性也很好，適于做油封材料。該膠的主要缺點是加工性能差，混煉時粘輥，低溫性能不太好，不耐水及蒸汽，

9、對乙二醇和高芳香族油類等的抗耐性差，壓縮永久變形大，對金屬模具和軸腐蝕較厲害。彈性、耐磨及電絕緣性較差。此外，由于它的高度飽和硫化速度較慢。其耐磨性通過適當?shù)呐浞娇娠@著改善，但仍比不上丁腈橡膠。 硅橡膠 硅橡膠在比較廣泛的溫度范圍內(nèi)能夠保持其機械性能，在-65仍能保持柔性，同時能在230下長時間工作。盡管硅橡膠的機械性能可以通過特殊配合使其得到提高，但它的強力、抗撕裂和耐磨性基本上還是較差的。耐堿、弱酸和臭氧的性能一般良好；但耐油性中等?；瘜W(xué)性能可以用配合劑進行改進，例如通過配合劑使其具有較好的耐油性和耐燃料性。但是一般來說，硅橡膠不宜用于碳氫化合物，例如汽油、石蠟、輕質(zhì)礦物油，在上述介質(zhì)中會

10、引起硅橡膠膨脹和軟化。硅橡膠的主要優(yōu)點是，它在很低的溫度下仍能保持彈性。而且能長時間在高溫下不硬化，因此與其它橡膠相比，能在更廣泛的范圍內(nèi)用于高溫和低溫密封件。用作旋轉(zhuǎn)密封件，其使用溫度高于普通橡膠。但硅橡膠的價格比其它大多數(shù)橡膠都高。 氟硅橡膠是價格更高的一種橡膠。工作性能基本與硅橡膠相同，但是使用范圍較窄。氟硅橡膠的主要優(yōu)點是耐油性好，可以與丁腈橡膠相媲美或者是接近丁腈橡膠。所以它既能在丁腈橡膠的使用溫度極限以外使用，同時又具有硅橡膠所缺乏的耐油性。 氟橡膠 氟橡膠是主鏈或側(cè)鏈碳原子上含有氟原子的飽和聚合物，具有獨特的優(yōu)異性能。它的特點是耐高溫、耐油、強腐蝕、耐溶劑、耐天候老化、耐臭氧、透

11、氣性低、物理性能良好，可在200250下連續(xù)工作。其缺點是低溫性能不太好，壓縮永久變形大，為改善氟橡膠的壓縮永久變形，國內(nèi)外曾做過不少研究工作。 聚四氟乙烯 塑料往往都是半剛性材料，一般不用作密封件。只有聚四氟乙烯例外，它是一種具有獨特性能的碳氟化合物，最顯著的特點是耐化學(xué)浸蝕使用溫度范圍；與金屬接觸的摩擦系數(shù)低，但是如果不進行填充補強，它的機械強度卻不高。聚四氟乙烯一個很有用的方面是作復(fù)合結(jié)構(gòu)的密封件，例如，可用機械加工的或模壓的聚四氟乙烯作為低摩擦表面和耐化學(xué)腐蝕的包覆表面。 油封材料的性能 油封材料的工作溫度 工作溫度是影響油封使用壽命的一個極為重要的因素，幾種常用的油封材料的工作溫度如

12、表4。表4 常用油封材料的工作溫度  低溫條件下的性能變化與高溫條件下的性能變化差別很大。隨溫度的降低幾乎所有的彈性體材料都會隨屈撓性的喪失逐漸變硬，變形恢復(fù)速度變慢。同時，還會使材料出現(xiàn)一定的結(jié)晶，但結(jié)晶速度很慢，當其沒有接近脆化點以前，如果沒有可供替換的彈性體材料，可以通過彈簧力來提供必須的回彈性。在高溫下，所有彈性體都會喪失彈力，并有變軟的傾向。高溫也會加速材料的老化，通常是以彈性喪失和硬度、模量逐漸增加的形式發(fā)生的。 油封材料的耐磨性 材料的耐磨性對油封來說是一個重要的指標。橡膠的耐磨性與它的硬度、抗撕裂性有關(guān)，一般隨硬度增加耐磨性得到改進，抗撕性能好，耐磨性也好。此外，材料的耐磨性能還與材料的摩擦系數(shù)，配合表面的光度等因素有關(guān)。 與密封介質(zhì)的相容性 隨著材料對液體介質(zhì)的吸收而發(fā)生體積變化，過度的膨脹會使材料的物理機械性能下降而不合格。而且過度的膨脹還能引起一定的化學(xué)作用，如溶解，或者引起材料本身某些組分的相互反應(yīng)，或者使表面脆化而導(dǎo)致龜裂。在這種情況下密封介質(zhì)和材料就是不相容的。在某些情況下密封介質(zhì)還有可能將膠料內(nèi)的增塑劑、防老劑等配合劑抽出，這樣就會改變彈性體的組成，甚至導(dǎo)致其收縮，引起泄漏。油封材料與某些介質(zhì)的相容