回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈設(shè)計(jì)與選材

祝 勇1，戴永奮1，汪永明2

（1.馬鞍山方圓回轉(zhuǎn)支承股份有限公司，安徽 馬鞍山 243041；2.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002）

近年來(lái)回轉(zhuǎn)支承在工程機(jī)械中被廣泛應(yīng)用。回轉(zhuǎn)支承密封圈是回轉(zhuǎn)支承的主要構(gòu)件之一，起到防塵、防水以及防油脂泄漏的雙重作用。本文根據(jù)理論研究并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈的唇角、壓縮量、唇口接觸面粗糙度、密封槽尺寸公差等重要結(jié)構(gòu)要素的設(shè)計(jì)方法和參考值，并給出不同工況下的密封圈選材方法。

1 回轉(zhuǎn)支承密封圈概述

回轉(zhuǎn)支承常用的密封圈是一種具有阻止?jié)L道內(nèi)的潤(rùn)滑脂滲漏和外部環(huán)境的泥水、塵土等外來(lái)物侵入滾道功能的橡膠制品，能對(duì)滾道、滾動(dòng)體、隔離體起到一定的保護(hù)作用，延長(zhǎng)回轉(zhuǎn)支承使用壽命。目前國(guó)內(nèi)回轉(zhuǎn)支承的密封圈主要采用類似于旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈的接觸式密封，一般安裝在回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)外滾圈之間靠近滾圈間縫隙處的位置，一端通過(guò)密封槽裝配在回轉(zhuǎn)支承的其中一個(gè)滾圈上，另一端壓附在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的另外一個(gè)滾圈的表面（圖1）。

圖1 單排球式回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)示意圖

回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈與旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈的結(jié)構(gòu)和性能有較多相似之處，現(xiàn)行由北京建筑機(jī)械化研究院、馬鞍山方圓回轉(zhuǎn)支承股份有限公司等單位聯(lián)合制訂的回轉(zhuǎn)支承行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中僅提出回轉(zhuǎn)支承密封圈采用符合HG/T 2811-1996要求的SN7453型丁腈橡膠制成[1]。

2 密封機(jī)理

盡管回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈與旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈有很多相似之處，但是從外形結(jié)構(gòu)、安裝方式、密封性能等方面比較卻存在諸多差異。如：前者一般無(wú)骨架結(jié)構(gòu)，斷面一般為L(zhǎng)形（圖2），采用條狀對(duì)接成環(huán)形圈，后者多為有骨架的整體環(huán)形結(jié)構(gòu)；前者通常依靠其本身的橡膠體的彈性并設(shè)計(jì)壓縮量來(lái)實(shí)現(xiàn)密封功能，后者一般帶有彈簧結(jié)構(gòu)，向密封圈提供徑向力以保證密封；前者直徑通常都在?280mm以上，在理論上甚至可以沒(méi)有尺寸限制，裝配精度較低，密封性能較旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈差些，而后者直徑較小，裝配精度很高，密封性能優(yōu)越。

圖2 回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈斷面圖

3 唇形密封圈的設(shè)計(jì)

3.1 密封圈的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)支承最常用的密封圈為唇形密封圈，斷面為L(zhǎng)形單唇結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)條狀，用膠水粘結(jié)對(duì)接成為環(huán)形，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。在部分對(duì)可靠性要求高的回轉(zhuǎn)支承上可以考慮使用整體結(jié)構(gòu)密封圈，避免安裝過(guò)程中的拉伸現(xiàn)象[2]，密封性能較好，在盾構(gòu)、風(fēng)電、雷達(dá)、醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)有所應(yīng)用。

密封圈在裝在密封槽內(nèi)有少量的過(guò)盈量，并且有鋸齒形倒刺以防止密封圈脫出[2]。為防止裝配時(shí)拉扯產(chǎn)生的變形并加強(qiáng)密封圈的強(qiáng)度，可以在內(nèi)部植入合成纖維線（圖2）。密封圈的相關(guān)尺寸設(shè)計(jì)可參考表1。為了進(jìn)一步提高密封性能，還可以采用雙唇結(jié)構(gòu)密封圈，圖3即為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域回轉(zhuǎn)支承常用的一種帶內(nèi)外唇的雙唇結(jié)構(gòu)唇形密封圈斷面圖。

表1 密封圈與密封槽的關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì)參考表

圖3 雙唇結(jié)構(gòu)密封圈結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 密封圈的唇角設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈與旋轉(zhuǎn)軸唇形密封有著相同的密封機(jī)理和相似的唇角結(jié)構(gòu)。密封圈在裝配前后變形情況較復(fù)雜，其唇前角α角與唇后角β的角度大致變化情況為唇前角由α變?yōu)棣痢?，唇后角由β變?yōu)棣隆洹８鶕?jù)圖中的幾何關(guān)系，不難證明α′＜α，后唇角β′＞β（圖4）。根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3]并結(jié)合回轉(zhuǎn)支承密封圈的性能要求及實(shí)際使用效果，丁腈橡膠材質(zhì)的密封圈裝配后α′在 30°～40°，β′在 35°～45°之間時(shí)密封效果較佳。對(duì)于其他材質(zhì)的密封圈，根據(jù)材料的不同物理特性可做適當(dāng)調(diào)整，但是設(shè)計(jì)時(shí)α一般控制在 30°～ 45°，β控制在 25°～35°（表 1），雙唇結(jié)構(gòu)的唇角設(shè)計(jì)可參考單唇結(jié)構(gòu)。

圖4 密封圈裝配后唇角變化示意圖

3.3 密封圈的壓縮量設(shè)計(jì)

根據(jù)密封機(jī)理，回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮壓縮量。壓縮量可以理解為密封圈裝配前后其唇口沿回轉(zhuǎn)支承軸向的變形量。這個(gè)變形量分為兩部分，一部分為密封圈腰部（圖2）的壓縮變形量，另一部分為唇口部位的壓縮變形量。唇口部位壓縮量較密封圈整體壓縮量小。壓縮量的存在使密封圈唇口部位產(chǎn)生與回轉(zhuǎn)支承軸向平行的軸向力，可以補(bǔ)償回轉(zhuǎn)支承滾道間隙造成的回轉(zhuǎn)支承端面（與密封圈接觸面）的跳動(dòng)。

由于回轉(zhuǎn)支承滾道在使用過(guò)程中會(huì)發(fā)生機(jī)械磨損，滾道間隙呈增大趨勢(shì)，特別是在工況差、保養(yǎng)不規(guī)范的情況下。在滾道磨損的過(guò)程中，密封圈同時(shí)也在發(fā)生磨損。當(dāng)滾道間隙增大到一定程度后，回轉(zhuǎn)支承受傾覆力矩時(shí)，若以其中一個(gè)滾圈為參照，另一滾圈的平面相當(dāng)于發(fā)生一個(gè)極小的角度θ′的旋轉(zhuǎn)，內(nèi)外滾圈的幾何位置關(guān)系則發(fā)生變化。密封圈與回轉(zhuǎn)支承的接觸面間的壓力則會(huì)變小，密封圈壓縮量變小，甚至在密封圈與回轉(zhuǎn)支承表面間會(huì)出現(xiàn)間隙（圖5）。

圖5 密封圈唇口位置變化示意圖

可見(jiàn)壓縮量過(guò)小容易造成密封不嚴(yán)降低密封性；壓縮量過(guò)大，使唇口緊貼在接觸面，容易形成“干接觸”[4]，從而加速唇口磨損老化，甚至失效。選擇適當(dāng)?shù)膲嚎s量非常重要。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常設(shè)計(jì)時(shí)唇口壓縮量應(yīng)隨回轉(zhuǎn)支承滾道中心直徑的增減做相應(yīng)的變化。壓縮量需要結(jié)合回轉(zhuǎn)中心直徑、工況、密封圈材料、密封介質(zhì)等因素做適當(dāng)調(diào)整。對(duì)于常用的L形丁腈橡膠單唇密封圈壓縮量VL控制在1～2mm較為合適，對(duì)于對(duì)回轉(zhuǎn)阻力矩有要求的回轉(zhuǎn)支承，可以適當(dāng)調(diào)整壓縮量，減小0.5～0.8mm，而唇口預(yù)壓縮量VL′往往控制在0.3～1mm時(shí)獲得的唇口接觸寬度有著較好的密封效果（圖4）。

3.4 密封圈唇口接觸面粗糙度設(shè)計(jì)

若密封圈與回轉(zhuǎn)支承接觸部位的表面粗糙度過(guò)大，旋轉(zhuǎn)時(shí)粗糙的表面就會(huì)切割密封圈唇口部位而造成磨損加快使得唇下油膜增厚使密封失效，若接觸面粗糙度過(guò)小，則不利于接觸面之間儲(chǔ)存潤(rùn)滑油脂，接觸表面之間形成半干摩擦甚至干摩擦，也會(huì)加劇密封圈磨損[4]。

考慮到實(shí)際使用需要及經(jīng)濟(jì)性，通常密封圈唇口與回轉(zhuǎn)支承表面的粗糙度R a取1.6～3.2μm，對(duì)于密封圈其他部位表粗糙度以及密封圈安裝槽內(nèi)R a可取6.3～12.5μm。

3.5 密封圈與密封槽的尺寸及公差設(shè)計(jì)

密封圈的尺寸公差設(shè)計(jì)與其材料本身特性以及生產(chǎn)工藝等因素有關(guān)，密封槽的尺寸公差只能在機(jī)械加工過(guò)程中控制。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如密封圈安裝槽的深度尺寸設(shè)計(jì)公差通常取0～+0.3mm為宜，密封槽的寬度尺寸設(shè)計(jì)公差取0～+0.2mm為宜。根據(jù)密封圈規(guī)格的不同，密封圈在密封槽內(nèi)的過(guò)盈量Δ(Δ=H1-w)一般控制在0.5～1.5mm之間。唇形密封圈及密封槽部分關(guān)鍵尺寸（圖2、圖6）公差設(shè)計(jì)可參考表1中的經(jīng)驗(yàn)值。

圖6 密封槽關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸代號(hào)

4 密封圈選材

新應(yīng)用領(lǐng)域中惡劣環(huán)境和復(fù)雜工況均對(duì)回轉(zhuǎn)支承的性能有較高的要求?；剞D(zhuǎn)支承的工況與密封介質(zhì)是密封圈的選材的重要參考因素。通過(guò)對(duì)常見(jiàn)密封材料的綜合性能比較，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈橡膠材料的選擇可參考表2。

5 結(jié) 語(yǔ)

影響回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈密封性能的因素較多且非常復(fù)雜，密封圈的密封性能直接影響到回轉(zhuǎn)支承的可靠性及使用壽命。隨著行業(yè)的發(fā)展，采用新結(jié)構(gòu)和新材料的新型密封圈不斷出現(xiàn)。本文重點(diǎn)從回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選材等方面論述一些回轉(zhuǎn)支承用密封圈的設(shè)計(jì)方法、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)以及部分關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的控制標(biāo)準(zhǔn)。目前國(guó)內(nèi)橡膠行業(yè)還沒(méi)有專門(mén)關(guān)于回轉(zhuǎn)支承用密封圈的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，所以回轉(zhuǎn)支承密封圈的標(biāo)準(zhǔn)化也是后期回轉(zhuǎn)支承相關(guān)研究工作的內(nèi)容之一。

表2 不同領(lǐng)域回轉(zhuǎn)支承密封圈材料選用參考表

[1] JB/T10839-2008，建筑用單排球式回轉(zhuǎn)支承[S]．

[2] 徐立明，陳 卓．回轉(zhuǎn)支承[M]．合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1988．

[3] GB/T9877-2008，液壓傳動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[4] 魯選才，賀永軍，楊維章，等．旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈的設(shè)計(jì)與選材[J]．特種橡膠制品，2010，31(5)：42-54．