陶瓷工厂常用液压密封件的密封机理及其探讨
蔡祖光
摘 要：本文介绍了陶瓷工厂常用液压密封件的材质及其构造，详细论述了陶瓷工厂常用液压密封件的密封机理。
关键词：液压密封件；材质；构造；密封机理；探讨
所以说，式（3）就是常用液压滑动密封件密封机理的理论表达式。其实液压滑动密封件[如：○形橡胶密封圈、唇形密封圈（V形密封圈除外）及组合密封圏]安装在密封沟槽中都是依其本身的弹性、塑性或弹塑性变形对密封表面产生较高的初始接触应力σr0阻止无压力液体的泄漏。当液压传动系统工作时，压力液体挤压并有效地撑开其密封唇部，使之进一步紧贴密封表面而产生较高的随压力液体的压力增高而增高的附加接触应力σr1，结果附加接触应力σr1与初始接触应力σr0一起共同堵塞两相对运动表面之间的泄漏通道，阻止压力液体的泄漏。这就是滑动密封件的密封机理。
4.2 密封垫
密封垫主要用于法兰连接液压管路和螺纹连接液压管路结合面之间的静密封，在相互接触的密封面之间放置密封垫，并通过螺纹连接件施压的装置称为密封垫密封。其密封机理就是螺纹连接件对密封表面（包括密封垫）的施压，即密封垫的密封比压（施压密封作用力与密封表面的面积之比）大于压力液体的压强，就能实现对压力液体的密封。否则，就会产生泄漏。由于非金属密封垫的物理机械强度较低，密封表面所承受的额定比压（压强）较低；而金属密封垫的物理机械强度较高，密封表面所承受的额定比压（压强）较高。所以说非金属密封垫的密封压力较低，仅用于无压力液体和低压液体的密封；金属-非金属密封垫的密封压力较高，常用于中高压液体的密封；金属密封垫的密封压力最高，常用于高压及超高压液体的密封，这正是目前超高压水射流切割机的液压传动系统（压力高达400MPa）所用的密封垫几乎都是金属密封垫的主要原因。
4.3 填料密封件
常用的填料密封件（俗称盘根），就是将具有柔软性的盘根装入填料腔后，通过压盖的轴向压紧作用，由于盘根的柔软性，迫使盘根径向延展变形并对密封表面（圆柱轴表面）产生接触应力，形成密封作用。与此同时，盘根中浸渍的润滑剂被迫挤出，并在密封接触面之间形成润滑油膜。考虑到盘根与圆柱轴表面的接触状态并不是均匀一致的，因此，盘根与圆柱轴的接触部位仅形成“边界润滑”状态，类似于滑动轴承工作时形成“边界润滑”的状态，俗称“轴承效应”；而未接触的凹形部位则形成小油槽，并储存较厚的油膜，因此，盘根与圆柱轴的接触部位与非接触部位就组成了许多不规则的迷宫（俗称“迷宫效应”），从而阻止压力液体的泄漏。这就是填料密封件的密封机理。
显然，填料密封件欲获得良好的密封作用，须同时维持良好的“轴承效应”和“迷宫效应”。也就是说，欲获得良好的密封作用，须维持填料密封件良好的润滑和适宜的压紧作用。若润滑不良，或对填料密封件压得过紧都会中断密封接触表面（圆柱轴表面）的润滑油膜，造成填料密封件与轴之间处于干摩擦或半干摩擦状态，最终导致填料密封件的严重磨损而泄漏，甚至烧轴等，在实践生产中也是屡见不鲜的。因此，需要经常对填料密封件的压紧程度进行调整，以便填料密封件中的润滑剂（浸渍剂）运行一段时间流失后，再挤出一些润滑剂，同时又能补偿因体积变化所造成的压紧力松驰等。显然，填料密封件经过多次挤压后，最终将导致填料密封件中的润滑剂（浸渍剂）枯竭，所以说须定期更换填料密封件是非常重要的。
值得注意的是为了维持填料密封件密封所需的润滑油膜（液膜）和带走摩擦热及冷却相关零部件等，有意使填料密封件密封处少量的泄漏存在也是非常重要的。因此，目前填料密封件通常只用于低压低速的往复运动密封和回转密封等工况。
4.4 静密封和回转运动用挤压密封件
（1） 静密封用挤压密封件
目前，液压传动系统中静密封使用最广泛的挤压密封件主要是○形橡胶密封圈和○形空心金属密封圈。其密封机理与滑动密封用○形橡胶密封圈的密封机理一样，但静密封用○形橡胶密封圈的压缩变形取得更大一些，因此，从式（3）可知，如果○形橡胶密封圈及其密封沟槽的设计制造以及材质选用适当的话，那么○形橡胶密封圈在静密封中可以实现无泄漏的绝对密封。所以说，○形橡胶密封圈可应用于真空、低压、中压和高压等静密封状态，甚至超高压的静密封状态。由此可见，○形橡胶密封圈是目前液压机械设备中广泛应用的静密封元件，通常液压系统的工作压力<32MPa时，○形橡胶密封圈都能实现真空、低压、中压和高压等状态的无泄漏静密封。但当工作压力≥32MPa，甚至高达400 MPa时，为了避免○形橡胶密封圈的一部分被迫挤入密封间隙（如图11所示） 中去造成损伤等影响其密封效果，须在高压侧设置一合成树脂挡圈（截面为矩形，如图12所示），如：尼龙挡圈、聚甲醛挡圈和填充聚 四氟乙烯挡圈等。同时，为了便于合成树脂挡圈装入密封槽及便于○形橡胶密封圈的均匀受压变形等，挡圈需在径向方向切割有与半径方向成30～45°的斜槽，且槽宽t为1～2mm（如图13所示）。
由式（3）可知，由于○形空心金属密封圈金属材料的极限比压及物理机械强度比非金属材料（如：橡胶、合成树脂等）大很多，因此，在相同的条件下，与○形橡胶密封圈相比，○形空心金属密封圈对密封表面产生更大的表面接触应力，堵塞两相对运动表面之间的泄漏通道，达到阻止无压力液体或压力液体泄漏的作用。所以说，○形空心金属密封圈适用于高温、高压、高真空度和低温等环境工况条件下的静密封，通常可用于直径达600 mm，压力高达400MPa，温度为-250～+600℃的工况。
（2） 回转运动用挤压密封件
回转运动用挤压密封件主要是指液压传动系统回转运动用○形橡胶密封圈。机械传动所形成的旋转（回转）运动通常是采用油封和机械密封，但油封的使用压力较低，而且设计制造比○形橡胶密封圈复杂得多，生产成本高，目前，油封仅适用于防止轴承室中的润滑油向外界的泄漏和（或）防止外界雨水、雪粒、固体尘埃颗粒等侵入轴承室而危害轴承的正常工作等。机械密封虽然可用于高压（40MPa）、高速（线速度达50m/s）及高温（400℃），但其结构复杂体积庞大，而且生产成本非常高，仅适用于石油、化工等重型机械设备的回转密封。因此，液压传动系统的旋转运动通常采用○形橡胶密封圈进行密封。
总的来说，回转运动用○形橡胶密封圈的密封机理与滑动密封用○形橡胶密封圈的密封机理一样。但回转运动用○形橡胶密封圈的压缩变形取得更小一些，这是因为橡胶材料的特殊反常性能——焦耳效应的作用，即在拉伸应力的状态下，若旋转轴与○形橡胶密封圈之间因摩擦发热，那么○形橡胶密封圈将会急剧地收缩。因此，设计计算回转运动用○形橡胶密封圈时，关键在于根据橡胶的性能来合理地选用○形橡胶密封圈的结构参数——拉伸量（周向）和压缩率（径向）。通常需按○形橡胶密封圈的内径选取旋转轴的轴颈尺寸，然后再按○形橡胶密封圈外径的压缩量为○形橡胶密封圈截面尺寸的4%～5%来选取其相配合的密封沟槽的径向尺寸及其制造公差等级。同时，尽可能地采用受热量影响小的特种合成橡胶材料（如：氟橡胶和硅橡胶等）制作回转密封用○形橡胶密封圈，并充分考虑○形橡胶密封圈安装处的通风冷却散热等作用。只有这样，旋转轴工作时，○形橡胶密封圈因受热收缩正好抱紧旋转轴而达到回转密封的作用，从而阻止无压力液体或压力液体的泄漏。
4.5 V形密封圈
常用的V形密封圈就是V形夹织物橡胶密封圈，可用于油缸的密封（孔密封）和柱塞的密封（杆密封），其密封机理一样。V形夹织物橡胶密封圈通常由支承环、密封环和压紧环三部分组成，在自由状态下，V形夹织物橡胶密封环的唇部外径大于所需密封油缸的内径（如图14所示），其唇部内径小于密封件安装沟槽的直径。因此，V形夹织物橡胶密封圈装入密封件沟槽后就会产生一定的变形。考虑到压紧环和支承环的作用，这种变形仅出现在密封唇部的尖端，并在接触部位产生较大的表面接触应力。即使不施加压紧力，密封唇部也能紧密地贴紧其密封表面，阻止无压力液体或压力液体的泄漏。同时，V形夹织物橡胶密封圈与唇形密封件一样，当压力液体的工作压力升高时，压力液体挤压其密封唇部，促使密封唇部与密封表面贴合得更紧密，实现更加可靠的密封。这就是V形夹织物橡胶密封圈的自密封作用，这也是 V形夹织物橡胶密封圈通常被看作是唇形密封件的主要原因。
当液体压力很高时，可将多个V形夹织物橡胶密封环叠加使用，通过压紧环的作用，迫使多个V形夹织物橡胶密封环的密封唇部始终最大限度地贴紧密封表面而实现密封作用，压紧力可根据介质压力进行调整。即使有介质泄漏并且通过第1道密封环时，其压力将降低很多，通过第2道密封环的唇部时，其压力再一次降低，如此多次作用后，其泄漏的介质压力近似等于零，值至最后泄漏被阻止。所以说，V形夹织物橡胶密封圈的密封机理就是唇部的自密封作用和填料密封的共同作用的结果。因此，与填料密封件一样，V形夹织物橡胶密封圈的摩擦阻力较大并随工作压力的增大和密封环数目（通常为3～5）的增多而增大，所以说，V形夹织物橡胶密封圈常用于中压（≥10MPa）、高压（<63MPa）液压传动系统采用，但其相对运动速度通常较低。
值得注意的是，支承环和压紧环与密封表面之间有间隙，为了保持液压油缸的运动精度，对支承环和压紧环的设计制造精度要求高。因此，支承环和压紧环可采用夹织物橡胶或合成树脂（如： 尼龙、聚甲醛和填充聚四氟乙烯等）等材料制造，但通常采用锡青铜质支承环和压紧环时，其密封效果更好一些。
4.6 防尘密封件
目前，液压缸活塞杆常用防尘圈有A型防尘圈、B型防尘圈（俗称金属骨架防尘圈，外圏为金属骨架）、C型防尘圈（也称双唇防尘圈）和TZF型组合防尘圈（也称双唇组合防尘圈）。液压马达等旋转轴常用油封有B型（内包骨架型）油封、W型（外露骨架型）油封、Z型（装配型）油封、FB型（带副唇内包骨架型）油封、FW型（带副唇外露骨架型）油封和FZ型（带副唇装配型）油封。它们通常是由弹性良好的橡胶材料制造的，并且油封的密封唇部还有弹簧等外力的辅助作用，其密封机理与唇形密封件一样，安装在密封沟槽内，因设计要求和制造误差等形成的过盈量迫使防尘圈产生变形促使防尘密封唇部始终贴紧密封表面，并对密封表面产生适宜的初始接触应力，阻止外界杂质（如：雨水、水蒸气、酸雾、冰雪和粉尘等尘埃颗粒）侵入液压传动系统中去。
值得注意的是，某些低压液压传动系统及气压传动系统通常采用价格低廉的毛毡防尘圈（方形或梯形），方形或梯形的毛毡防尘圈浸渍液压油后再安装在密封沟槽后因过盈量迫使它们产生变形促使方形或梯形毛毡防尘圈始终贴紧密封表面，并对密封表面产生适宜的初始接触应力，阻止外界杂质（如：雨水、水蒸气、酸雾、冰雪和粉尘等尘埃颗粒）侵入某些低压液压传动系统及气压传动系统中去。显然，其密封机理等同于填料密封件的密封机理，但其防尘能力与接触的紧密程度有关，接触压紧得越紧密，防尘能力越好，但摩擦阻力也较大。
5 液压密封件的探讨
（1） 通过选用液压密封件在安装沟槽中的适宜过盈量，确保液压密封件始终贴紧密封表面，提高其密封性能。
陶瓷工厂生产设备常用液压密封件，无论是用作静密封件、滑动密封件还是回转密封件，液压密封件安装在密封沟槽内，都应过盈而产生变形促使密封唇部对密封表面产生较大的接触应力，实现常用液压密封件的静密封作用。因此，实践生产中，应根据所选用液压密封件的结构形式、规格尺寸、使用环境条件及其推荐的密封沟槽的规格尺寸，选择适宜尺寸精度的密封沟槽，确保液压密封件安装后，因过盈而产生变形，即： ▽B<0和▽D≤0。也就是说，设计选用液压密封件的密封沟槽尺寸时，应使液压密封件在径向产生适宜的压缩变形（▽B0），反而降低了其径向尺寸的压缩率，那么液压密封件对密封表面产生的接触应力较小，减弱了液压密封件的密封作用。所以说，为了提高液压密封件的密封作用，设计制造其密封沟槽时，通常选用在周向（圆周方向）产生微小的压缩变形（▽D≤0）的液压密封件，尽量避免选用在周向（圆周方向）产生微小的拉伸变形（▽D>0）的液压密封件，并选用适宜的径向过盈量，能大幅度地提高液压密封件的密封性能。
