浮动油封丨浅析浮动油封的密封原理

2017-08-27 16:55 厦门三江盛达
浮动油封是一种机械密封方式,一种为了适应恶劣的工作环境而发展起来的旋转动密封装置。具有端面动态密封功能的特殊形式的机械密封装置,维修简单,密封性能好,使用寿命长,结构简单的特点,主要是在工程机械以及其他别的机械上应用。例如履带式液压起重机、履带式液压挖掘机、推土机、摊铺机等工程机械,以及矿用机械、农业机械、建筑机械等,如挖掘机和履带起重机的行走减速机、履带承重轮等。

1 浮动油封的密封原理

浮动油封一般是由一对浮动密封环(以下简称“浮封环”)、两个橡胶圈、两个浮封座等共六部分组成的密封系统(见图 1),共五处密封要求。浮封环是一个轴向呈马鞍形,由铁合金材料制成的浮动式的端面密封环。橡胶圈是一轴向截面为圆形而截面直径较粗的橡胶环。浮动座是含有一个内锥面、起到托住橡胶圈与浮动环并使两者在空间保持一定位置的座腔。
 

浮封环需成对使用,一个随旋转件旋转(动环),另一个相对静止(定环),在动环与浮封座之间以及在定环与浮封座之间的锥面处,各装入一个具有圆形断面的橡胶圈,在装配预紧力作用下橡胶圈在浮封座形成的密封腔内受轴向压缩产生变形。产生垂直于浮封座锥面的弹力 Fb 和垂直浮封环锥面的弹力 Fc,弹力 Fc 分解为轴向分力 Fca 和径向分力 Fcr。弹力 Fb 是橡胶圈与浮封座锥面紧密接触实现 b 处密封,弹力 Fc 是橡胶圈与浮封环锥面紧密接触实现 c 处密封,轴向分力 Fca 使两浮封环密封面紧密接触,实现 a 处密封,最终实现整个密封系统的 5 处密封要求(见图 2)。

浮封环的密封接触表面宽度为 0.2~0.3 mm,内部的锥形间隙有利于润滑油进入密封面。润滑油通过毛细作用、旋转时的离心作用以及密封腔内温升后内压增大的作用进入密封间隙,形成一层很薄的油膜,从而实现密封、润滑及冷却,同时还可避免两浮封环接触端面过度磨损发热所引起的橡胶圈老化变形、失去弹性。当浮封环亮带磨损时,橡胶圈的弹性还可起到一定的自动补偿作用。
2 浮动油封的材料

浮封环

由于铸铁基本组织多为索氏体珠光体或较细片状珠光体,组织比较疏松,可吸收微量液体,形成含油摩擦面,改善润滑状况,并可通过调整其化学成分(尤其是金相组织)来满足不同的性能要求,故铸铁的机械性能和耐磨性均较好,并且铸铁具有价格低,加工制造容易导热系数大等优点,因此浮封环多采用合金铸铁。

 橡胶圈

橡胶圈所用材料要求具有良好的弹性、低的摩擦系数、能耐介质的腐蚀、溶解和溶胀、耐老化、在压缩之后及长期工作中有较小的永久变形、在高温作用下使用具有不粘着性、低温下不硬脆而失去弹性、具有一定的强度和抗压性。因此一般情况下橡胶圈多采用丁腈橡胶,也可以选择氟橡胶、硅橡胶、氢化丁腈橡胶等。

浮动油封的失效分析

浮动油封虽然有着很长的使用寿命,但是也会由于各种原因,会造成浮动油封失效。下面分析一下浮动油封失效的原因。
浮封油封的本身质量问题。浮封环的材料、硬度、密封面的光洁度、锥面对基准轴的同轴度,橡胶圈的硬度、耐老化性等都将影响浮动油封的密封效果。
浮动油封的安装问题。如果安装时不按照正确的步骤和要求进行操作,会导致浮动油封的零部件发生变形、损伤,使浮动油封失效。如果不按照操作规程,有可能在安装过程中进入杂质、毛屑等异物,引起泄漏。

密封端面的接触比压不均或者过大。作用在密封端面上的比压均匀且大小适当,比压过小降低密封性能,比压过大又会加剧密封端面的摩擦磨损。
浮封座设计制作加工问题。由于浮动油封必须与浮封座结合在一起,必须能够严密的结合,而浮封座是否能够跟浮动油封完美的匹配,直接影响着浮动油封的工作性能。所以,必须按厂家提供精准的数据或者浮动油封的标准进行制作加工。

润滑油的问题。润滑油使用不合适会直接降低浮动油封的使用寿命,会使橡胶圈过早的老化,没有弹性。润滑油的清洁度也会影响浮动油封油膜的形成,从而影响浮动油封的密封性能。

使用环境的影响。工程机械经常会在泥沙、粉尘比较大的环境下作业,外部的泥沙、粉尘等从两浮封座间隙侵入内部,并板结在浮封座、浮封环和橡胶圈上。长时间会使橡胶圈挤出,污染物被反复挤压最终穿透密封进入。

对于这些应用,建议设计增加迷宫或者遮罩保护。

橡胶圈的磨损。橡胶圈容易被泥沙等杂质磨损,引起橡胶圈老化和撕裂,最好的办法选择耐磨的橡胶材质,并在浮封环的外部加以防护。

安装浮动油封注意事项

浮动油封是否正确安装对其密封性能有很大关系,所以安装时注意以下几点。

在安装浮动油封的时候应该彻底的对浮封座腔体和各种密封件进行清洗,将沾染上的油脂、灰尘以及其他金属碎屑等残留物彻底清洗干净。然后在使用的时候再取出密封件,这样就能够防止将表面磨损。

在确认了橡胶圈贴近金属环的内侧之后,安装上半个浮封环,浮动油封装入座孔时,应采用专门工具推入,防止位置偏斜。然后检查密封件的位置,保证橡胶环与墙体的平行。沿着密封圆周至少在相隔 90°的 4 个部位检查密封面至座孔本体表面的高速,其最大高度差应小 1 mm,如果要调整高度,不可直接推拉浮封环,应使用专用工具进行推压或上提橡胶圈。

确认安装合适后,先用干净的抹布将金属表面擦拭干净,然后在表面上涂上一层油膜,目的防止油封安装后运转初期密封面间发生干摩擦。在涂抹油膜时,注意不要涂抹在其他的地方,特别是橡胶圈与浮封环接触面上不得有润滑油。

然后安装好另一半,将两侧的浮封座孔对正,然后缓慢仔细的将其组装,注意避免密封面撞击,否则可能损坏浮动油封。成对装配的浮封环,两外径之差应小于0.5 mm。
在安装的时候如果需要更换新的零件,就需要将两半全部换成新的,不能新旧混用,即使旧的密封件品质仍然很好,也不能继续使用。

 浮动油封的试验

浮动油封从设计开发到最终出品要经过多次试验测定和检验,可分以下几个方面。
浮封环性能测试及质量检验
对浮封环的材料选择及制造工艺进行验证。通常包括材料成分分析、热处理组织结构的金相分析、金属表面洛氏硬度试验、淬火后有效硬化层深度的测定、磨耗测试、表面粗糙度检测、同轴度检验、背锥面家督检验等。
橡胶圈性能及质量测试
对选用橡胶圈的性能进行测定,以便对应不同应用环境选用,并设计合适的压缩变形,获得理想的回弹力。通常包括对橡胶邵氏硬度的测试、橡胶拉伸性能的测定、橡胶回弹性的测定、橡胶耐液性能试验、橡胶热空气老化试验、橡胶常温和高温下恒定变形压缩永久变形的测定、橡胶脆硬性温度试验等。
密封载荷测试
使用拉力试验机对指定的浮封环、橡胶圈、浮封座的组合进行测试,测定其压缩变形和回弹力的关系。根据浮封环密封面的要求密封载荷(接触比压)合理设计浮动油封的相关尺寸。
静密封测试
可以采用如图方法,将成对清洁的浮封环对合好放在 0 级平台,底部可加橡胶垫或涂油脂,顶部加上配重的压环,倒入适量煤油,要求 10 min 浮封环面不得有泄漏和渗油。压环的质量可参考下表。

动密封测试
动态密封试验机的形式有多种,方案可自行确定。要求能够在标准恒定的试验环境对浮动油封的密封性能、工作情况(温升、磨损等)、使用寿命及安装间隙尺寸的最佳值等进行测定。并且可以根据浮动油封在设备上应用的实际工况,将试验机至于模拟环境的温度,并加入砂石、泥土等的金属箱内进行测试。