橡胶密封制品密封机理浅析

ug15679

用的流体密封件主要包括三大类，即O形圈、往复运动用唇形密封件和旋转轴用唇形密封件（油封）。橡胶密封件的结构设计与其应用的密封机理密切相关。
4 Y& J7 K: I$ n. D9 B' ^
O形圈及类O形圈密封件

1 H- k- U3 ~5 H. \+ O  j; MO形圈是一种断面呈圆形的圆环形密封件，在所有密封制品中是产量最大，标准化、系列化程度最高，使用最成熟的一类密封制品。

O形圈在流体密封中按其工作状态可分为静态密封和动态密封。

从高分子角度看，橡胶O形圈材料的密封行为类似于黏度很高的流体，它具有把压力传递到与之接触的表面上的特性。当O形圈装在沟槽中使其断面受到一定程度的压缩（通常为8%-25%）时，便产生一个初始接触应力。在被密封流体（空气、水、油等）的压力极低或等于零的情况下，在高的流体压力下，O形圈被压向与压力方向相反一侧的沟槽角落，并产生堵塞流体泄露通道的应力分布，起到密封作用。即在大的流体压力下，密封的接触压力等于O形圈的初始接触应力与流体压力产生的接触应力之和。接触压力总是稍大于液体的工作压力，所以极大地提高了密封效果。
$ T" y* ?5 B) A" ?( t4 q" v
0 i( M$ Z: t' P; a当O形圈用于往复运动密封时，其密封机理也是自密封作用。但由于O形圈处于运动状态，而且流体压力是从O形圈两面交替施加的，所以该过程极为复杂。通过活塞杆密封件的实验，基本认识了往复运动O形圈密封和泄露的机理。如果将O形圈和轴的表面放大，其表面会是凹凸不平的，尤其是O形圈的接触面则以其凸起处与轴接触。当轴开始向右运动，由于轴将与其黏着的液体带入O形圈和轴之间的楔形狭窄区，这部分的液体压力将大于工作流体压力。如果这个压力大于O形圈的接触压力，O形圈便会被顶起，液体就侵入到凹处，从而造成泄露。当轴向相反方向运动时，因轴的运动方向与压力方向相反，沿轴运动方向的泄露就减小，两者之差就形成了往复运动中向外部的泄露。一般来说，液体黏度越大，轴速越大，这种滑动效果也就越大，泄漏也就越严重。

+ I" M  o! ~0 CO形圈在动态密封中有两个主要缺陷，即扭转损伤和初始动摩擦阻力很大。为克服这两种缺陷产生了非圆断面O形圈和复合结构O形圈。例如：O形圈的主要代用品是方形或矩形密封圈，在静态密封中很普遍。在动态密封中和O形圈相比的优点是，断面能完全填入沟槽，因而在压力交变时其机械位移很小；其抗扭转破坏和挤出的能力由于其摩擦接触面大，使其只适用于低速往复运动，不适合做旋转运动。另外根据不同的使用需求，还有D形圈、三角形圈、菱形圈、X形圈、H形圈等等。

唇形密封件及防尘圈

& j# J# }# F. k9 U- j唇形密封件是指受压呈唇形并具有压力强化密封作用的一类密封件或衬垫。其结构形式很多，除标准的V形、U形、Y形、L形和J形外，还有由这些形状演变而来的各种特殊形状。在材料上主要是橡胶或夹布橡胶；聚四氟乙烯用于某些化学制造设备；金属材料更是在上述材料都不能满足要求的场合，如超高温、超低温及核辐射环境下使用。这类唇形密封件一般局限于往复运动使用，但其中有些类型也可用于静态或旋转密封。

唇形密封件在无外压下先安装在沟槽中，这时密封唇受活塞杆或缸壁的压缩产生一个初始接触压力。在外压作用下，唇形密封件的密封唇被压向被密封表面，压力通过衬垫传递到其接触点上，唇缘接触点的压力始终大于流体压力，于是防止了流体泄露。唇形密封件无论在高压或低压下都有很高的密封效率，而且对磨损有一定的补偿作用，不会造成很快泄漏。

防尘圈是一类特殊的密封件，它在液压和气动缸中不作为主要密封面而作为一种防尘装置使用，用于去除往复活塞杆漏在缸体以外部分表面上所附着的尘土、灰砂、粉尘、雨水及冰霜等污物，以保证机械内部的清洁。

防尘圈的断面最简单的为矩形，其材料通常是毛毡、硬质胶或其他半硬的弹性材料。使用时需要施加预负荷，防尘效果取决于预负荷的大小和防尘圈工作面的性质。但是，随着负荷的增加，虽然增加了擦拭作用，但同时也增大了摩擦和磨损。

$ t5 J. [3 |+ z  r" I4 Z9 [油封
; `- J" h' c0 |: N( Y# B% @
! z* E2 [; j+ R" Y油封是旋转轴密封件的最重要的品种，又称径向唇形密封件。它的主要用途是通过挠性密封唇与轴或壳体接触来防止轴承润滑油的泄露，也可通过它防止外部尘土和泥水等外来物的侵入。

油封装配使用时，其尖锐的密封刃口在径向力的作用下与轴接触会发生轻微的变形，当轴旋转时变形部分迅速被磨损成一定宽度的平口（这一过程称为油封的磨合，在很短时间内即告完成），通过这一平口即可将油膜控制在边界润滑状态（厚度约0.0025mm），从而防止了油的泄漏。

油封唇部材料的性能对油封的工作性能有极其重要的影响。它决定着油封的工作温度范围、摩擦、磨损性能、耐介质性能和密封性能等。所以，作为油封唇部材料的橡胶材料，除应满足适当的机械强度和硬度，耐高低温、耐工作介质等一般要求外，还必须具有良好的挠性以使其在轴运行时对轴有良好的跟随性和对轴的不规则性、偏心和震动有良好的补偿能力。同时具有高度挠性的密封唇对被密封的轴所需径向力也小，因而能减小摩擦力和摩擦生热。

8 }/ N2 J1 v8 o. }' U/ o流体动力学油封的特点是在轴旋转时同时具有流体动力效应，即能用粘滞剪切力抵抗泄漏流动力，把泄漏的油向油腔方向回送。回油剪切力或回油推力的产生是靠油封的空气侧唇面附加的凸起或凹下的花纹，如斜条纹、圆形或半圆形花纹、波形纹等。这些花纹在唇口均布并于唇口相切，于是唇与轴表面接触时不仅形成一个平滑的接触带，而且还产生与轴接触带呈一定角度的接触分枝区。当轴高速旋转时，这些花纹便像螺杆泵一样把通过刃口漏到空气侧的油泵送回油腔，从而避免了油从密封部位泄漏到外部。