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2010.NO.1肖军.谈液压橡胶密封件的结构性能及使用31谈液压橡胶密封件的结构性能及使用　（湖北十堰东风汽车公司，湖北442002）摘要：关键词：液压橡胶密封件是机械产品的基础元件，几乎每个液压产品都离不开它，利用密封件防止液体泄漏，防止空气和污染物进入系统和元件内部造成油液污染，以提高产品效率与性能。因此，液压橡胶密封件广泛使用于汽车、摩托车等车辆传动系统（如齿轮箱、轮毂、桥轴、差速器）的密封；铲车、挖掘机等农业机械和工程机械传动系统的密封；工业用齿轮箱的密封；液压元件（泵、马达）的密封；还广泛应用于机械工程和设备加工工业。1液压橡胶密封件的使用性能及密封机理1.1液压橡胶密封件的使用性能液压橡胶密封件的使用必须满足以下性能：一是泄漏量极小。要求液压密封件的泄漏量极小，具有良好的密封作用，并随液压油的压力增高而自动提高其密封作用，即使在高压及高温等恶劣工作环境下，液压密封件的泄漏量也无明显的增加；二是良好的相容性。因液压密封件长期浸泡在液压油中，极易溶胀、溶解或脆化变硬等，使之丧失密封作用，因此要求液压密封件对液压油具有良好的相容性；三是摩擦阻力小。为避免或作者简介：肖军（1970—），湖北武汉人，大学本科学历，东风汽车公司高级工程师，从事汽车技术工作。减少液压设备产生低压爬行等不良现象，要求液压密封件具有较低的静摩擦阻力和动摩擦阻力，并且其摩擦系数应非常稳定；四是使用寿命长。液压密封件应具有良好的弹性、耐热性、耐寒性、耐压性、耐磨性及一定的物理机械强度等，并且使用寿命长；五是价格低廉。液压密封件应易于制造和安装，其相应的密封槽又易于加工制造，对密封表面的加工精度等要求又较低，并且价格低廉。对密封的基本要求是密封性好，安全可靠，寿命长，并应力求结构紧凑，系统简单，制造维修方便，成本低廉。大多数密封件是易损件，应保证互换性，实现标准化、系列化。1.2液压橡胶密封件的密封机理密封可分为静密封和动密封两大类。静密封主要有垫密封、密封胶密封和直接接触密封三大类。根据工作压力，静密封又可分为中、低压静密封和高压静密封。中、低压静密封常用材质较软、宽度较宽的垫密封，高压静密封则用材质较硬、接触宽度很窄的金属垫片。动密封可以分为旋转密封和往复密封两种基本类型。按密封件与其作用相对运动的零部件是否接触，可以分为接触式密封和非接触式密封。一般说来，接触式密封的密封性好，但受摩擦磨32《橡塑资源利用》2010.NO.1损限制，适用于密封面线速度较低的场合。非接触式密封的密封性较差，适用于较高速度的场合。密封件的密封机理涉及两个因素，一个是腔体的密封，主要是密封件外缘（静态部件）在腔体中的定位；二是密封唇口与旋转轴表面接触的动态密封，这是密封件的昀重要功能。密封件的外缘为了保证密封件在腔体的静态密封和孔内的稳固定位，并且容易装配。一般为橡胶材质包覆金属骨架，把橡胶弹性体的可靠静态密封能力和金属骨架支持定位的优点结合为一体。密封件的外缘设计有倒角，以便于装配。另有密封件在外缘上设计沟槽可以增加附着力，避免密封件后退和歪斜的危险，也加大了压配合公差，可提高密封件静态密封的可靠性。外缘设计为金属外骨架的密封件适用于要求在腔体中安装特别牢固和精确的场合，要注意的是当密封件座孔内表面糙时应当涂覆密封胶，在密封座处可以使用密封剂。密封件的密封唇接触区的密封机理对密封件所起的密封功能具有极其重要的意义，它取决于：密封唇的设计；弹性材料的结构；轴表面的粗糙度等。密封唇的径向力、密封唇的角度设计和唇尖与弹簧中心的距离设计的综合作用，产生了一种对轴面不对称分布的接触压力。在油侧压力昀大并陡升增加；在空气侧压力呈小角度衰减。在过盈量（密封唇的内径在自由状态、无负荷情况下设计为比轴的直径略小）的配合下，接触压力的这种不对称分布，与旋转轴产生的圆周环形紧箍力的联合作用，导致密封唇接触区的结构特性变形。这种密封弹性体变形结构是油封试运转时形成的，对密封性能起着决定性作用。因此，密封件需要一个试运转的磨合期。螺旋线的影响加上轴的旋转，由这种变形构造产生向油侧的泵吸作用。密封件密封唇口滑动面的摩擦特性受流体的粘度与滑动速度支配，在这个滑动面上有油膜存在。密封件与轴的相互滑动表面就在这个油膜分离的润滑状态下运动，因此保持摩擦力小，磨损少。在密封件滑动接触面上油的流动是从大气侧流向油侧又从油侧流向大气侧的循环。滑动面的润滑良好，可防止磨损的进行，由此没有泄漏。可见，对油封密封唇唇口材料，唇部形状这两个因素进行微妙控制，从而影响密封件的润滑特性和密封原理是至关重要的。常用的自封式压紧型液压密封件主要是O形密封圈、圆形密封圈和方形密封圈等，它们具有结构简单、易于制造、成本低廉等优点，因此它们是液压传动系统中广泛应用的动密封元件和静密封元件。它们安装在密封槽内通常产生10%～25％的径向压缩变形，并对密封表面产生较高地初始接触应力，从而阻止无压力液体的泄漏。液压缸工作时，压力液体挤压自封式压紧型液压密封件，使之进一步变形，并对密封表面产生较大的压力，严格地说应为压强。逐渐增高的附加接触应力，并与初始接触应力一起共同阻止压力液体的泄漏。但当工作压力大于10MPa时，为了避免合成橡胶质自封式压紧型液压密封件的一部分被挤入密封间隙，进而在液压缸往复运动中被切掉而造成泄漏，须在合成橡胶质自封式压紧型液压密封件的受压侧各设置一合成树脂挡圈，如尼龙挡圈、聚甲醛挡圈和填充聚四氟乙烯挡圈。由于合成橡胶质自封式压紧型液压密封件工作时具有较大的压缩变形，因此其静摩擦阻力特别大，通常为其动摩擦阻力的两倍多。如此大的静摩擦阻力在一些低压液压传动系统中势必造成低压爬行及操作困难等不良现象，这正是自封式压紧型液压密封件很少单独用作动密封件的原因。2液压橡胶骨架油封和防尘圈的用途及结构特点2.1液压橡胶骨架油封的用途及结构特点油封是用于密封机械设备中旋转轴的封油用密封元件，而腔体基本上是静止的，所以油封又称旋转轴唇形密封圈。根据安装孔和密封轴所要2010.NO.1肖军.谈液压橡胶密封件的结构性能及使用33求的同轴度，来确定是内骨架油封或外骨架油封；根据工作环境的温度来确定骨架油封所采用的材质。外骨架油封，俗称铁壳油封。由于其精确的同轴度，被广泛用于精密机械设备或要求轴高旋转同轴度的密封系统。对于大型重械设备所选用的骨架油封一般都要求有较高的钢性，因此应优先选用SB、TB型油封。当对油封的钢性有更高的要求时，推荐选用SA、TA型外骨架油封。对于旋转扭矩较低的转轴，如小型电机，应选用不带弹簧的骨架油封（VC、VB、KV、KB型）。骨架油封一般用在高、低速旋转轴，昀高旋转线速度≤15m/s、往复运动昀高速度≤0.1m/s。工作压力＜0.05MPa。机械的摩擦部分由于在机械运转时有油进入，为防止这些油从机械的间隙中泄漏而使用油封，并且除了油以外还需要防止水与化学药液的泄漏以及尘埃、土砂从外部侵入，这时候也要用到油封。油封的密封状态，一是油封外缘和腔体之间为静态密封，同时保证油封外缘在腔体之间的可靠定位；二是油封密封唇和轴之间的密封状态，当轴旋转时为动态密封，当轴静止时为静态密封。各种影响因素的综合作用及其相互作用，都对油封的密封性能和使用寿命产生了很大影响。油封主要由密封体、加强骨架和自紧螺旋弹簧等几部分组成。密封体按照不同部位又分为底部、腰部、刃口和密封唇等。金属骨架就如同混凝土构件里面的钢筋，起到加强的作用，并使油封能保持形状及张力。通常，在自由状态下的骨架油封，其内径比轴径小，即具有一定的“过盈量”。因此，当油封装入油封座和轴上之后，油封刃口的压力和自紧螺旋弹簧的收缩力对轴产生一定的径向紧力，经过一段时间运行后，该压力会迅速减小乃至消失，因而，加上弹簧可以随时补偿油封自紧力。油封外缘使油封在腔体孔内固定的同时，起防止流体从油封外周面与腔体内表面的接触面之间泄漏及侵入的作用。另外金属骨架是当油封固定在腔体内时，起保持配合力的作用。密封唇部是柔性弹性体，设计成在机械的震动及密封流体的压力变动的影响下，仍可保持稳定的密封作用，并起到保持唇部与轴表面稳定接触状态的作用。弹簧可提高密封唇向轴的压紧力，起维持此压紧力的作用。唇端部被制作成斜锲形状，在端部处按压轴表面，起密封流体的作用。防尘唇是没有与弹簧连接的副唇，起防止尘埃侵入的作用。油封外部为圆筒形用来保证对腔体的静态密封——采用内包金属骨架的橡胶外缘；采用外露金属骨架的外缘，大多需要抛光和镀敷防腐涂层。装有弹簧的密封唇保证轴的动态和静态密封的密封可靠性。经过长期开发研究的结果，油封的密封唇结构提高到极佳的性能，进而提高在更宽的负荷范围内的密封可靠性。添加防尘唇，或者在特殊情况下采用的多个防尘唇，可防止外界污染物和灰尘侵入。油封的骨架和弹簧是金属制作，密封唇口等主要部分为橡胶。油封根据使用环境，可以用不同的橡胶进行生产，以满足密封的性能和要求。昀常用的耐油橡胶是丁腈橡胶，丁腈橡胶为目前油封及O型圈使用昀普遍的橡胶之一。可以说是目前用途昀广、成本昀低的橡胶密封件。制造油封常用的还有聚丙酸酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶和聚四氟乙烯等。油封所使用的场合，其适用的密封介质一般是矿物润滑油、润滑脂和合成润滑油、润滑脂。在特殊情况下也可密封润滑性低的酸类、碱类、有机溶剂类等腐蚀性介质。通常采用氟橡胶材料的油封，其耐腐蚀性、耐高温性都要比NBR材质的好，在无润滑、纯干燥和多介质的条件下建议采用PTFE密封唇制作的油封，其密封唇有足够的润滑能力，大大降低唇缘的磨损。单个油封不宜密封两种不同的介质，大量的化学物质增加了对于油封材质性能的影响，油封对密封介质的相容性应该通过实验室试验来确定。34《橡塑资源利用》2010.NO.1密封介质的污染可能是腔体铸件制作过程遗留的铸砂残留物；或者是旋转元件因摩擦磨损产生的颗粒物。例如涡轮齿轮箱中的青铜涡轮的磨损物；或者由腐蚀性介质产生的产物。为防止密封介质的污染对密封特性的负面影响，一定要注意尽量保持腔体清洁。2.2密封防尘圈功用特点所有液压缸都必须安装防尘圈。活塞杆回程时，防尘圈将粘在其表面上的脏物刮掉，保护密封圈和导向套免受损伤。双作用防尘圈兼有辅助密封功能，其内侧唇边刮掉粘附在活塞杆表面上的油膜，从而提高密封效果。防尘密封圈对保护关键性的液压设备部件是极端重要的。渗入尘土，不仅磨损密封件，而且会大大的磨损导向套和活塞杆，杂质进入液压介质中，亦会影响操作阀和泵的功能，在昀坏的情况下，亦可能损伤这些装置。防尘圈能除掉活塞杆表面上的任何尘土，但不损坏活塞杆上的油膜，这对密封件的润滑也有益。防尘圈在设计时，不仅要适应活塞杆（动态功能），还必须在沟漕中起密封作用（动态功能）。动态功能：一个有效的防尘圈，其唇口相对于活塞杆的接触力必须足够大。有相当高硬度的弹性材料昀易得到这种效果。硬度达94°的聚氨酯是特别适用于防尘圈的材料，其特性还包括高模量（硬度），极好的耐磨性及低压缩性。这种材料可以应用在-40~100℃范围的绝大多数应用场合。静态功能：设计用于封闭式安装沟槽的无增强的单作用防尘圈，很难在沟槽中起到有效的密封作用。这是由于这种防尘圈在沟槽中是松配合安装的。只有密封唇与活塞杆的接触提供防尘圈与圆柱形表面的密封力。温度降低时，整个防尘圈收缩，其外径与沟槽之间的泄露风险就会出现。要取得满意的效果，这种情况必然在防尘圈的设计中加以补偿。3常见液压橡胶密封件的种类及结构特点3.1唇型密封件液压机械设备液压缸常用的液压组合密封件主要是由O形密封圈与方形密封圈、U形密封圈、Y形密封圈、YX形密封圈及其他特殊形状的液压密封圈的等效使用构成的。V形密封圈：V形密封圈的密封性能较好，可根据工作压力的大小来确定所用密封圈的数目，通常须借助压盖的调整来补偿密封圈的磨损量，其致命的弱点是结构复杂，通常须由支承环、密封圈和压环三部分组成，其摩擦阻力较大，并随工作压力和密封圈数目的增大而增大。因此V形密封圈仅适用于运动速度较低而工作压力较高的液压缸采用。U形密封圈：它不仅是液压缸中昀常用的油封，也是一种典型的唇口密封件，无论用于活塞杆还是活塞都能获得良好的密封效果。U形