作者：張付英 劉卉 張林靜
現代工業領域中，密封技術起著舉足輕重的作用，它是液壓和氣壓系統性能得以保證的關鍵。密封失效，不僅大幅度增加了后續維修成本，還可導致致命的災難，如美國挑戰者號航天飛機發射爆炸，就是由于密封失效引起的。液壓往復密封技術是建立在密封偶合面的潤滑、摩擦、磨損、傳熱、材料性質和結構設計原理之上，是液壓系統中使用條件復雜，對密封裝置要求較高的動密封。本文作者通過對液壓往復密封原理、密封關鍵技術和設計方法、密封結構型式和應用的進展研究，提出未來往復密封技術的發展趨勢和研究熱點。 1 .液壓往復密封理論的進展 液壓往復密封理論實質上是研究相對運動表面的相互作用。自20世紀70年代新興邊緣學科——摩擦、磨損和潤滑學的出現，才將密封裝置作為一個系統加以研究，使柔性（橡膠）與剛性表面相對運動，比兩個剛性表面相對運動的研究，出現了更新、更復雜的內容，從而也大大豐富了動態密封理論。 1.1 密封偶合面的摩擦、磨損與潤滑 1.1.1 密封偶合面間的摩擦狀態 相互接觸的往復密封偶合面間有干摩擦、 邊界摩擦、混合摩擦和流體摩擦4種狀態。 （1）干摩擦是指密封偶合面沒有任何潤滑劑或保護膜的密封件與被密封面接觸時的摩擦，在實際往復密封中，不存在真正的干摩擦。 （2）邊界摩擦是指密封偶合面被吸附在表面的邊界膜隔開，摩擦性質取決于邊界膜和表面的吸附性能時的摩擦。 （3）流體摩擦是指密封偶合面被流體膜隔開，摩擦性質取決于流體內部分子間粘性阻力的摩擦。 （4）混合摩擦是指密封偶合面處于邊界摩擦與流體摩擦的混合狀態時的摩擦。 往復密封停止運動停留較長時間，重新啟動時會逼近干摩擦狀態。靜止時，潤滑油膜在接觸壓力的作用下，被擠成厚度很小的薄膜，此時間隙之間的油膜不完整，處于邊界摩擦狀態。隨著相對運動速度的提高，油液運動產生的動力使油膜厚度增加，形成流體摩擦。由于往復運動表面相對速度和密封壓力變化范圍很廣，因此混合摩擦狀態也是不可避免的。 1.1.2 密封偶合面間的磨損 密封偶合面間的摩擦將導致密封元件材料的逐漸喪失或遷移，即形成密封件的磨損。在密封偶合面間加入潤滑劑可降低摩擦，減輕磨損。密封磨損與被密封面的加工精度和密封摩擦表面的粗糙度紋理形狀有關。 1.1.3 密封偶合面間的潤滑 在往復密封中，密封偶合面的潤滑對于其密封性能與壽命起決定作用。為保證往復密封的良好的運動特性和一定的使用壽命，密封偶合間不允許出現干摩擦。邊界摩擦、混合摩擦和流體摩擦都必須滿足一定的潤滑條件，相應的潤滑狀態分別為邊界潤滑、混合潤滑和流體潤滑。有2種方法來判斷密封偶合面間的潤滑狀態。
方法1:根據圖1所示的摩擦特性系數μv/Pm及相應的摩擦特性曲線來判斷。v為相對運動速度，μ是潤滑油的動力粘度，Pm為平均負載壓力。 方法2：通過膜厚比來判別。
式中hmin為密封偶合面間的Z小公稱油膜厚度,μm;Rq1、Rq2分別為密封偶合面輪廓的均方根偏差。 （1）邊界潤滑: λ≤1時密封偶合面呈邊界潤滑狀態。邊界潤滑的膜厚為0.005~0.1μm摩擦因數為0.08~0.14，相對速度較低。邊界潤滑時，密封偶合表面的粗糙度之和一般都超過邊界膜的厚度，所以邊界摩擦不能完全避免密封偶合面的直接接觸，吸附在密封偶合面的邊界薄膜承擔大部分載荷。邊界膜強度受密封偶合面的相對速度、流體粘度、接觸壓力、材料特性、表面粗糙度、溫度等因素的影響。 （2）混合潤滑1≤λ≤3時的密封偶合面處于混合潤滑狀態。混合潤滑時的膜厚為0.01~0.1μm摩擦因數為0.02~0.08表面相對速度略有增加。混合潤滑時，隨潤滑膜厚度的增大，表面輪廓直接接觸的數量減小，潤滑膜的承載比例也隨之增加。 （3）流體潤滑：λ≥3時的密封偶合面形成完全的流體潤滑狀態。流體潤滑時的潤滑油膜厚度大到足以將兩個表面的輪廓峰完全隔開，膜厚為0.25~2.5μm摩擦因數為0.001~0.008，表面相對速度較高。流體潤滑時，潤滑劑中的分子大都不受密封偶合面吸附作用的支配而自由移動，不會有磨損產生，是理想的潤滑狀態。 由于無論是從膜厚還是從摩擦特性來說，在彈流潤滑和邊界潤滑之間還是一個空白區，而混合潤滑只是描述了各種潤滑狀態共存時的潤滑性能，并不具備基本的、獨立的潤滑機制。因此，近些年來提出了介于彈流潤滑和邊界潤滑之間的薄膜潤滑。隨著科學技術的發展，摩擦學研究已深入到微觀研究領域，形成了微-納米摩擦學理論，如超潤滑概念。從理論上講，超潤滑是實現摩擦因數為零的潤滑狀態，但在實際研究中，一般認為摩擦因數在0.001量級（或更低）的潤滑狀態即為超潤滑狀態。 對往復密封來說，流體潤滑使密封摩擦面間的摩擦力迅速降低，磨損Z小，是一種理想的潤滑狀態。 1.2 液壓往復密封機制 液壓往復密封機制受密封偶合面間的液壓流體行為支配。圍繞這一問題，不同學者從不同的角度進行了大量的研究，并提出了很多動態密封理論，下面介紹幾種典型的液壓往復密封理論。 1.2.1 液體表面張力理論 密封裝置主要密封某種流體, 而流體具有表面張力。密封件與軸的間隙形成的液膜，就是表面張力造成的。EJJagger認為：液體表面張力造成的潤滑液膜，由于流體的潤滑性和毛細管作用，會使流體滲入密封間隙。在與空氣交界面上形成彎曲的一面，表面張力會阻止流體通過間隙漏出。介質壓力與密封間隙成反比： p=2σ/h 式中σ為表面張力;p為介質壓力;h為密封間隙。依靠油膜的表面張力，潤滑劑保持在一定位置上，形成一道密封屏障。在運動狀態下，油膜厚度隨摩擦偶合面的相對速度、流體粘度、接觸面壓力等許多因素的影響而改變。 1.2.2 邊界潤滑理論 這是用來說明密封失效機制的理論，認為密封件與軸接觸時，有邊界潤滑、流體潤滑和混合潤滑3種潤滑狀態。很多學者認為，往復密封是在流體動力潤滑狀態下密封。 1.2.3 流體動力密封理論 浮動在流體膜上的聚合體密封配合表面與表面當作剛性體的流體動壓密封不同，其特性像被界面膜流體壓力局部支撐的隔膜。因此，膜形狀的預測建立在反向流體動力學理論基礎上，可用雷諾方程來處理。
式中u0為活塞外行程時的速度；P0為內部壓力；h(x)為可變膜的高度；為液膜中的可變壓力；η為間隙內的流體的粘度；h0*為Z大壓力處的膜高。 假定h在某一取值時使|dp/dx|達到Z大,為此將式(1)對h求導并令其為0,可得h0*=2/3h,將此代入式(1)得:
因此,縫隙間流體流量可由油膜厚度求得,流體的泄漏由|dp/dx|支配。 如果以往復運動的活塞桿密封為例，假定活塞桿直徑為d,則粘附在外行程桿上液體的體積流量為:
式中：ui為內行程的速度；Pi為內行程時液體壓力；hi*為內行程時Z大壓力處的膜高。 若活塞桿以等速u作往復運動，活塞桿行程為H，一個周期t內包括外行程t/2和內行程t/2,外行程油液向外泄漏,流量為V0：內行程油液被帶入，流量為Vi,則一個周期內油液凈泄漏量為：
因此，油液不發生外泄漏的條件是：
由于密封件的結構形狀和材料與變形有關，而變形又會影響油膜壓力。因此，合理設計密封形狀與預壓力的施加位置，可改善密封件的密封與摩擦性能。 2 .液壓往復密封的發展與應用 2.1 液壓往復密封的設計方法 用于液壓往復密封的都是接觸型密封，需要密封件通過彈性變形跟隨滑動表面因粗糙度、形狀公差、波紋度引起的密封間隙變化，或因負載變化使活塞（或活塞桿）與缸套變形而產生的密封間隙變化，以阻塞泄漏通道。橡膠密封件因較好的回彈性而作為往復密封的主要密封元件。為使式（7）總能成立，用于往復密封的橡膠密封件應設計成不同的截面形狀。然而，彈性好的橡膠密封件往往耐磨性較差，為此新型組合密封，包括結構和材料的組合密封件成為往復密封的主要密封形式。 2.1.1 不同截面形狀的彈性體密封 O型密封圈因結構緊湊，尺寸小，具有預密封效果和自密封作用及磨損后自動補償能力，在液壓往復密封中得到廣泛應用。但在高壓、高溫工作條件下，O型圈往往因間隙咬傷和運動時的扭曲而產生失效。因此，通過截面形狀的改變改善O型密封圈的某些性能。圖2所示的O型、三角型、X型、異型、H型和Y型截面密封圈等可適用于不同的介質壓力和運動速度。
三角型密封圈以很小的摩擦接觸面積，提供良好的溝槽接觸面積，以保持穩定；型密封圈以均勻分布的接觸應力，減小泄漏；異型密封圈可防止往復運動時的翻轉和扭曲；H型密封圈能適應介質工作壓力而改變接觸壓力，獲得良好的密封性能；Y型密封圈因具有自封作用，可密封高壓介質且具有較好的綜合密封性能。 2.1.2 結構上的組合密封
由于往復密封所需的密封性和耐磨性難以在一個密封件上同時具備，因此20世紀80年代末出現的組合密封在往復密封中得到迅速應用。組合密封的密封功能由彈性橡膠密封件或彈簧完成，而耐磨性能由填充PTFE或增強聚胺脂來實現。如圖3所示為典型的組合密封型式。 2.1.3 材料上的組合密封 為了獲得各種性能的密封材料，往往在一種基體材料中加入各種成份。如在填充PTFE中加入MoS2添加劑增加剛性硬度和耐磨性,加入石墨改善尺寸穩定性和耐磨性,加入青銅提高耐壓性、加強散熱性，加入玻璃纖維改變拉伸強度、伸長率、壓縮變形和韌性；用PTFE包覆橡膠密封圈改善密封的耐化學藥品的性能等。 2.1.4 串聯密封
圖4 串聯密封
原則上，許多類型的密封可組合成串聯形式。串聯密封中，密封通過獨立支撐，每個密封的密封堤相互分開，如圖4所示。串聯密封可提高動態密封性能，且摩擦力低于單個密封的摩擦力。串聯密封正確發揮作用的條件是兩個密封都必須具有非對稱壓力分布。 2.1.5 可調節密封 液壓技術的高速發展，不但對密封件的數量要求成倍增加，而且對質量、可調節和可控方面提出更高的要求。近幾年出現的如圖5所示的可調節密封就是為了滿足這種需求而產生的。
2.2 液壓往復密封的應用 目前，在往復密封中，O型密封圈已很少單獨使用，主要使用組合密封件。Y型和H型密封圈在許多往復密封場合中廣泛采用。 在高負荷密封界面潤滑不充分的情況下，常導致局部過熱、磨損和粘滑，可使用具有低附著力并可能具有微觀凹坑的密封界面。在液壓缸中，由于活塞桿伸出元件外部，因此要嚴格阻止油液泄漏，污染環境，又要防止外部水、氣和雜質侵入元件，為避免動態泄漏，可使用串聯密封，如由兩個PTFE同軸密封和一個PTFE雙刮油密封組成液壓缸活塞桿密封。活塞密封的兩邊都有液壓油，密封間隙中一般為流體動壓潤滑，可通過被增能的矩形截面PTFE密封環來密封，且用PTFE材料制成的附加外側軸承環保護活塞不受磨損顆粒侵害。 3 .液壓往復密封技術的進展研究 液壓往復密封技術的進展研究就是從宏觀上總結往復密封技術的發展歷程，從微觀上分析往復密封技術的結構進化特點，并為新型往復密封技術的開發提供設計思路。 文獻利用TRIZ(The Theory of Inventive Problem Solving)技術進化理論,根據不同時期液壓往復密封的材質、結構型式和可控性對密封性能和耐磨性能的定量分析，對當前液壓往復密封技術的進化曲線進行了研究，并指出液壓往復密封技術仍處于其生命周期的生長期。文獻通過對液壓往復密封的進化狀態分析，系統地歸納和總結了液壓往復密封的11條進化路線，并畫出了液壓往復密封的進化潛能圖，確定了未來往復密封技術的開發方向。 4. 液壓往復密封的研究熱點和發展趨勢 通過液壓往復密封的密封機制、設計方法、應用和技術的進展分析及研究，確定未來液壓往復密封的研究熱點和發展趨勢為： （1）密封性能和耐磨性的進一步提高。從液壓往復密封技術的進化曲線看，未來密封件往復密封技術的發展是在不改變現有密封原理的情況下，致力于對密封件結構、材料和型式的改進來提高其密封性能和耐磨性能。 （2）增加往復密封的可控性。通過結構和材料的進一步分離，實現良好的密封和耐磨功能。 （3）充分利用系統內部資源提高密封性能。通過設計新型的密封結構形式，利用被密封液體資源提高密封的可靠性和耐磨性。 （4）密封與耐磨功能的集成。串聯密封雖然可提高密封性能，但增大了結構尺寸。因此，結構緊湊的集密封與耐磨功能于一體的新型密封是未來往復密封設計的重要內容。 （5）通過對往復密封件的有限元分析，模擬密封件在液壓力和預壓縮力作用下的應力、應變分布，合理設計密封圈的截面形狀。(佳工機電網)
