影響動密封性的因素及解決措施*

劉棟

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一O研究所，湖北宜昌 443003)

0 引言

過程工業(yè)中使用的機(jī)器設(shè)備普遍設(shè)有密封裝置，有密封必然存在泄漏，這已被事實所證明。密封裝置的泄漏帶來的問題有造成能源浪費(fèi)、污染環(huán)境、產(chǎn)品使用性能下降，以至損壞設(shè)備，嚴(yán)重時可能危及人身安全。雖然密封件僅是零部件，但卻能決定設(shè)備的安全與使用性，特別是在石油化工企業(yè)中，處理的大都是具有腐蝕或易燃等介質(zhì)，通常還具有較高的壓力和溫度，一旦出現(xiàn)泄漏將造成無法預(yù)計的危害。因此，防止設(shè)備泄漏對工業(yè)生產(chǎn)來說是必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 密封機(jī)理簡述

密封機(jī)理就是防止流體通過密封面由一側(cè)傳遞到另一側(cè)。通常被密封的介質(zhì)是以穿漏、滲漏或擴(kuò)散的形式通過密封件而泄漏的。早期認(rèn)為密封端面間穩(wěn)定可靠的密封主要是由表面張力作用的結(jié)果，忽略了密封端面實際上并非理想的平直平面，其端面由于加工還會帶來粗糙不平的突起，從而引起該處成直線接觸。另外旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動時精度引起的端面傾斜和振動以及密封件的變形等因素均沒考慮在內(nèi)，因此僅認(rèn)為是表面張力作用的結(jié)果顯然存在缺陷。此后考慮到密封端面間的邊界潤滑膜會產(chǎn)生吸附作用，認(rèn)為邊界潤滑也是構(gòu)成密封的主要因素，但此時仍沒有考慮端面間的磨損和摩擦熱給密封件帶來的變形影響，因此也不能構(gòu)成穩(wěn)定的密封。隨著對密封機(jī)理的進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)影響密封的因素太多，要在如此小的端面縫隙進(jìn)行探測性研究較為困難，因而采用經(jīng)驗性設(shè)計與機(jī)理研究相結(jié)合的方式較為合理。

(1)穿漏:通常將通過密封面間隙的泄漏稱之為穿漏。此時被密封流體在密封件兩側(cè)壓力差Δp泄漏，該泄漏屬單向泄漏。

(2)滲漏:在密封件兩側(cè)壓力差作用下，被密封流體通過密封件材料的毛細(xì)管的泄漏稱之為滲漏，該泄漏屬單向泄漏。

(3)擴(kuò)散:在濃度差的作用下，被密封介質(zhì)通過密封間隙或密封材料的毛細(xì)管產(chǎn)生的物質(zhì)傳遞稱為擴(kuò)散。擴(kuò)散泄漏分為密封件的吸收液或氣體，介質(zhì)通過密封件擴(kuò)散和介質(zhì)從密封件的另一側(cè)析出三個階段。擴(kuò)散過程是雙向進(jìn)行的。

2 影響因素分析及解決措施

密封的使命是防止工作介質(zhì)泄漏和外界介質(zhì)侵入。造成泄漏的主要原因為:①密封連接處存有間隙;②密封連接處兩側(cè)存在壓力或濃度差。究其原因是多方面的，大致可分為四類，現(xiàn)將其歸納成圖1所示，同時針對這些在工程應(yīng)用中常出現(xiàn)的問題加以分析，提出相應(yīng)的解決措施［1］。

對與靜密封來說，要達(dá)到無泄漏其技術(shù)較成熟了。對于動密封由于接觸密封面的任何相對位移都會給結(jié)合面上的粗糙處帶來一定的泄漏量。以下對影響動密封性能的主要因素加以分析并提出相應(yīng)的解決措施。

圖1 泄漏原因

2.1 密封件及工作環(huán)境

密封件的選型應(yīng)依據(jù)使用工況與外界環(huán)境進(jìn)行綜合考慮后確定。工作壓力及運(yùn)動速度是密封性能設(shè)計的主要依據(jù)之一，低壓時選用低摩擦、啟動阻力小的密封件，如壓力在2.5 MPa以下時，盡量不選用聚氨脂材料制成的構(gòu)件;高壓時需考慮密封件受壓變形的情況，解決途徑是設(shè)置防擠出擋圈，同時采用剛性大的密封圈。當(dāng)密封構(gòu)件運(yùn)動速度低至0.03 m/s以下時，需考慮設(shè)備運(yùn)行的平穩(wěn)性和是否出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象;如高于0.8 m/s時，起潤滑作用的油膜易破壞，密封處得不到潤滑而摩擦發(fā)熱，材質(zhì)性能下降加速磨損，導(dǎo)致壽命降低［2］。此外低溫會使橡塑材料彈性降低，導(dǎo)致材料硬化而引起泄漏;高溫易使密封材料膨脹、變軟，造成摩擦阻力增大、耐壓性能降低，其解決措施是在熱源附近的密封裝置應(yīng)進(jìn)行耐熱性設(shè)計，以防過熱損傷密封性能。

2.2 工作介質(zhì)及受力狀態(tài)

體現(xiàn)液壓系統(tǒng)工作時其性能優(yōu)劣程度的重要表現(xiàn)之一是密封性能。該性能取決于使用的介質(zhì)與所用密封件的紙質(zhì)。因為油液的老化或污染不僅使系統(tǒng)中的器件出現(xiàn)故障，加速密封件老化與磨損，而且介質(zhì)中形成的贓物易嵌入密封處，導(dǎo)致穿漏或滲漏［3］。因此需定時檢查油液品質(zhì)及清潔度。對于高壓、高速運(yùn)行的液壓設(shè)備，由于油液中殘留的空氣在構(gòu)件高速運(yùn)行時會膨脹，再經(jīng)高壓壓縮會產(chǎn)生高溫而燒壞密封件，嚴(yán)重時可導(dǎo)致炭化，為此在設(shè)備運(yùn)行初期應(yīng)進(jìn)行排氣處理。對于往復(fù)運(yùn)動或重載機(jī)械應(yīng)在運(yùn)動件上裝配支撐環(huán)，確保其承受較大的載荷;對于承受側(cè)向力的機(jī)構(gòu)，必須在密封處設(shè)置支撐環(huán)，以防密封件在偏心的條件下工作時引起泄漏與磨損;對于高壓大流量液壓系統(tǒng)在工作中易產(chǎn)生液壓沖擊，此沖擊產(chǎn)生的瞬間高壓可能是系統(tǒng)工作壓力的幾倍，在極短時間內(nèi)密封件撕裂或?qū)⑵渚植繑D入間隙內(nèi)而使其損壞。解決方法是在做往復(fù)運(yùn)動的構(gòu)件上安裝緩沖環(huán)和擋圈，目的是緩沖環(huán)裝配在密封件前面可吸收部分沖擊力。擋圈可防密封件在高壓下擠入間隙。

2.3 設(shè)計加工及裝配

密封件是實現(xiàn)密封性能的主要構(gòu)件，在裝拆時可能會損傷密封件上的密封面，設(shè)計時應(yīng)采取保護(hù)性設(shè)計，采用專用工裝裝配。如對螺紋結(jié)尾部設(shè)置緩階，裝配是對螺紋部分加裝保護(hù)套;對密封件入口處、沉槽、臺肩等設(shè)有倒角或坡口，同時應(yīng)去除毛刺。對固定件的內(nèi)表面需珩磨、拋光或滾壓，其表面要求達(dá)到Ra 0.1～0.8 μm的粗糙度，且不得有縱橫向刀紋;對于運(yùn)動件要求其表面粗糙度為Ra 0.2～0.4 μm，為防運(yùn)動件被雜物劃傷，應(yīng)將表面硬度設(shè)計在HRC 60以上;對于溝槽棱邊應(yīng)加工成倒角，防止安裝時密封件損傷，一般粗糙度選定在Ra1.6～3.2 μm。裝配前使用清洗液清洗密封槽及密封面，檢查密封有無方向性要求，裝配時不得將密封件旋入槽內(nèi)，以免造成扭轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)，必要時可涂抹潤滑劑增加潤滑以便安裝。

3 結(jié)語

造成泄漏的原因無非就是在結(jié)合面處產(chǎn)生間隙。出現(xiàn)泄漏后，應(yīng)對產(chǎn)生泄漏的原因進(jìn)行分析，依據(jù)實際情況對密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)或?qū)p傷的零件和密封件及時更換和修補(bǔ)，達(dá)到減小或消除間隙，隔離或切斷泄漏通道，既可達(dá)到阻止泄漏之效能。

［1］ 付 平.常德功.密封設(shè)計手冊［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［2］ 黃迷梅.液壓氣動密封與泄漏防治［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］ 魏 龍，張紅光.密封技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.