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油封的設計與開發
2008-04-07
油封的使用參數和設計參數
在結構設計中使用參數和設計參數應該相適應。設計參數和使用參數的關系可用表1來說明。
(1)唇部過盈量（d-d1）
如果過盈量大，造成唇口過分伸張，容易老化、磨損，縮短使用壽命。如果過盈量小，則密封性能不好。因為過盈量與整個唇部徑向力有關，所以應綜合考慮。表2所示的過盈量數值僅供參考。
該數值在設計上是個理論接觸寬度。“R”值大，接觸寬度大，摩擦也大。“R”值小，不利于密封。表3中的彈簧位置“R”值可供參考。
表3 不同軸徑的"R"值
(3)腰部長度
腰部長度提供的徑向力約為油封唇部徑向力的50%，它對于保持一個低數值的徑向力是重要的，要達到此目的的一個方法就是延長油封腰部的長度。但是一般油封外徑長度已經標準化，即使未標準化的裝配空間也限定了這個寬度，因此，腰部的直線長度被限制，通過腰部直線部分導出一個曲線的彎曲截面可以解決這個問題。
(4)腰部截面厚度
實驗中發現，即使在低壓情況下也容易造成圖 (A)的變形，而單純加厚腰部又不利于唇口的跟隨能力。腰部增厚減弱了彈簧的作用，不如薄腰對偏心的跟隨能力好。為解決腰部變形和跟隨能力的矛盾，建議將腰部改為圖 (B)的形狀。這樣既加強了腰部的剛性又不致于影響對偏心度的跟隨能力。
(5) 頭頂面長度
在有些油封結構斷面圖形中把頭部頂面長度(t)設計成與彈簧槽半徑(r)相等，但在使用中經常發現彈簧自行脫落的現象。為了避免彈簧脫落，設計時要使t大于r，至少要滿足下列關系：t= 4/3 r。
(6)彈簧槽的形狀
許多油封在彈簧槽的設計上都出現過一個誤區，將彈簧槽半徑(R)和彈簧圓半徑(r)設計成不同數值，實驗驗證發現有的油封唇上有兩個接觸帶。因此，當R=r時唇口應力分布狀態Z好，只有一個接觸帶。但是往往由于模具加工、膠料收縮等原因，在制造上很難做到兩者相等，只能維持兩者相差不大。
(7)金屬骨架的設計
金屬骨架的主要功用是加強油封的結構剛性。其厚度和配置方法視油封的工作條件和裝配條件而定。
(8)彈簧圈
油封中所用的彈簧有兩種類型，即吊帶式彈簧和板彈簧。兩種彈簧中以吊帶式彈簧應用Z為普遍。彈簧的直徑、展開長度、鋼絲直徑纏繞圈數計算，可參考有關標準和機械設計手冊。
(9)徑向力
徑向力是個極為重要的參數，它對油封的使用性能的作用概括如下：
1 徑向力太小時，密封性能不好；2徑向力太大時，產生磨耗，縮短使用壽命；3徑向力直接影響接觸區域的摩擦及溫度，徑向力過大時，摩擦生熱大，加速唇口老化；4軸的磨損也受徑向力的影響；5軸與殼體偏心時，要采取相應的徑向力以保證唇口有合適的跟隨能力；6徑向力限制了介質的使用壓力，如介質壓力過大，則徑向力再增大會使油封壽命縮短。
油封材料
目前油封的制造材料以合成橡膠為主體，由于其選擇和結構設計都是左右油封密封性能和使用壽命的主要因素，因此，正確掌握橡膠的性能以適當地選擇所用的橡膠材料非常重要。到底選擇哪種橡膠作為油封材料Z合適？這應根據油封的關聯參數來決定，即：對軸的徑向力應高到足以防止油封泄漏，低到能維持一定的油膜厚度以保持低的摩擦熱；油封應該具有足夠的過盈量，以克服使用中的偏心度影響；唇部在接觸區的面積也是決定因素之一。
油封材料直接影響上述三個參數，因為材料隨時間和溫度而變化，各個關鍵參數也隨著變化，比如：隨溫度增加、材料的模量降低、使徑向力發生變化。熱膨脹、密封介質所造成的材料溶脹、膠料的軟硬度等均影響徑向力和過盈量。
基于上述原因，在選擇油封材料時要考慮如下特性：與密封介質相容，不因密封介質發生溶脹、硬化等現象；具有良好的耐熱性、耐磨性；具有適度的彈性，能適應軸的粗糙度和偏心度變化。
由于橡膠材料的配方變化很多，新材料不斷出現，現有材料也不斷得到改進。以下僅對制造油封Z常用的丁腈橡膠、聚丙酸酯橡膠、硅橡膠、氟橡膠和聚四氟乙烯進行簡要說明。
丁腈橡膠
在密封件的制造材料中，丁腈橡膠的用量可能要大于其它彈性體的總和。丁腈橡膠的化學成份為丁二烯和丙烯的共聚物，丙烯含量在18%~40%之間，分為“低”、“中”、“高”丙烯含量的丁腈橡膠。丁腈橡膠的耐油性，隨丙烯含量增加而提高，但同時低溫曲撓性卻隨之下降。為了獲得良好的低溫性能，常常要犧牲一些耐高溫燃料和油類的性能。丁腈橡膠具有良好物理性能，其耐冷流、抗撕裂和耐磨性比其它大部分橡膠都好，但是不耐臭氧、天候和日光，這方面的性能可以通過配方設計進行改進。丁腈橡膠適用于石油基油、燃料油、水、硅油和硅酯以及乙二醇的混合物。但不適于與EP油、鹵化碳氫化合物、硝基碳化物、磷酸酯流體、酮類或強酸及某些汽車剎車油等接觸。
聚丙烯酸酯橡膠
聚丙烯酸酯（ACM）橡膠為丙烯酸烷基酯為主體與其他不飽和單體的乳液共漿物。通常采用的丙烯酸烷基酯是乙烯乙酯和丙烯酸丁酯。聚丙烯酸酯橡膠的性能介于丁腈橡膠和氟橡膠之間。由于其分子主鏈上不含有雙鍵，使其具有較高的耐熱、耐臭氧和天候的性能。側鏈上含氯（Cl）或(CM)的官能基團，又使其具有優異的耐油性，可在170℃～180℃的熱油中使用。該膠的主要特點之一是在178℃條件下耐礦物油，雙曲線油和黃油性能好。耐老化和彎曲龜裂性也很好，適于做油封材料。該膠的主要缺點是加工性能差，混煉時粘輥，低溫性能不太好，不耐水及蒸汽，對乙二醇和高芳香族油類等的抗耐性差，壓縮永久變形大，對金屬模具和軸腐蝕較厲害。彈性、耐磨及電絕緣性較差。此外，由于它的高度飽和硫化速度較慢。其耐磨性通過適當的配方可顯著改善，但仍比不上丁腈橡膠。
硅橡膠
硅橡膠在比較廣泛的溫度范圍內能夠保持其機械性能，在-65℃仍能保持柔性，同時能在230℃下長時間工作。盡管硅橡膠的機械性能可以通過特殊配合使其得到提高，但它的強力、抗撕裂和耐磨性基本上還是較差的。耐堿、弱酸和臭氧的性能一般良好；但耐油性中等。化學性能可以用配合劑進行改進，例如通過配合劑使其具有較好的耐油性和耐燃料性。但是一般來說，硅橡膠不宜用于碳氫化合物，例如汽油、石蠟、輕質礦物油，在上述介質中會引起硅橡膠膨脹和軟化。硅橡膠的主要優點是，它在很低的溫度下仍能保持彈性。而且能長時間在高溫下不硬化，因此與其它橡膠相比，能在更廣泛的范圍內用于高溫和低溫密封件。用作旋轉密封件，其使用溫度高于普通橡膠。但硅橡膠的價格比其它大多數橡膠都高。
氟硅橡膠是價格更高的一種橡膠。工作性能基本與硅橡膠相同，但是使用范圍較窄。氟硅橡膠的主要優點是耐油性好，可以與丁腈橡膠相媲美或者是接近丁腈橡膠。所以它既能在丁腈橡膠的使用溫度極限以外使用，同時又具有硅橡膠所缺乏的耐油性。
氟橡膠
氟橡膠是主鏈或側鏈碳原子上含有氟原子的飽和聚合物，具有獨特的優異性能。它的特點是耐高溫、耐油、強腐蝕、耐溶劑、耐天候老化、耐臭氧、透氣性低、物理性能良好，可在200℃～250℃下連續工作。其缺點是低溫性能不太好，壓縮永久變形大，為改善氟橡膠的壓縮永久變形，國內外曾做過不少研究工作。
聚四氟乙烯
塑料往往都是半剛性材料，一般不用作密封件。只有聚四氟乙烯例外，它是一種具有獨特性能的碳氟化合物，Z顯著的特點是耐化學浸蝕使用溫度范圍；與金屬接觸的摩擦系數低，但是如果不進行填充補強，它的機械強度卻不高。聚四氟乙烯一個很有用的方面是作復合結構的密封件，例如，可用機械加工的或模壓的聚四氟乙烯作為低摩擦表面和耐化學腐蝕的包覆表面。
油封材料的性能
油封材料的工作溫度
工作溫度是影響油封使用壽命的一個極為重要的因素，幾種常用的油封材料的工作溫度如表4。
表4 常用油封材料的工作溫度
低溫條件下的性能變化與高溫條件下的性能變化差別很大。隨溫度的降低幾乎所有的彈性體材料都會隨屈撓性的喪失逐漸變硬，變形恢復速度變慢。同時，還會使材料出現一定的結晶，但結晶速度很慢，當其沒有接近脆化點以前，如果沒有可供替換的彈性體材料，可以通過彈簧力來提供必須的回彈性。在高溫下，所有彈性體都會喪失彈力，并有變軟的傾向。高溫也會加速材料的老化，通常是以彈性喪失和硬度、模量逐漸增加的形式發生的。
油封材料的耐磨性
材料的耐磨性對油封來說是一個重要的指標。橡膠的耐磨性與它的硬度、抗撕裂性有關，一般隨硬度增加耐磨性得到改進，抗撕性能好，耐磨性也好。此外，材料的耐磨性能還與材料的摩擦系數，配合表面的光度等因素有關。
與密封介質的相容性
隨著材料對液體介質的吸收而發生體積變化，過度的膨脹會使材料的物理機械性能下降而不合格。而且過度的膨脹還能引起一定的化學作用，如溶解，或者引起材料本身某些組分的相互反應，或者使表面脆化而導致龜裂。在這種情況下密封介質和材料就是不相容的。在某些情況下密封介質還有可能將膠料內的增塑劑、防老劑等配合劑抽出，這樣就會改變彈性體的組成，甚至導致其收縮，引起泄漏。油封材料與某些介質的相容性可參考表5。
表5 油封材料的相容性
綜上所述可見，油封的結構設計相當重要，即使油封材料很好，如果其結構設計不合理，仍然不能獲得有效的密封。遺憾的是，在油封結構設計方面，至今還沒有一個實用的設計原則，結構參數Z優化尚有一定的局限性。而在油封材料方面，雖然各個公司都有自家的材料標準，但是用于油封材料的關鍵性指標遠不如“O”形圈那樣明確具體。因此，就油封研究領域而論，還有很多尚待解決的問題。
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