高压气体旋转密封结构设计应用
商宏钟
摘要：针对红外光电系统出现的由高压气体旋转密封导致的漏气问题，根据车氏密封原理对旋转密封结构进行改进设计，实现了在高速转动下高压气体的无油润滑旋转密封。经过一系列试验及应用证明，该结构在可靠性、环境适应性上均满足相关要求，满足实际应用需要。
关键词：红外光电系统；高压气体；旋转密封；无油润滑；车氏密封
中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）02-0035-03
0、引言
某型红外光电探测器采用了汤焦式致冷器，其工作气体为15 MPa的氮气。由于探测器置于旋转平台上，因此必须通过旋转密封结构将高压气体从气源装置送至探测器。为了避免汤焦式致冷器的堵死，要求气源纯净，不能含油，不能有大于5 μm的杂质出现，因此该旋转密封结构不能使用润滑油，旋转磨损中不能有杂质进入气路。平台旋转速度最高可达180 rpm，寿命要求在80万转以上，结构能经受加压反复冲击3000次以上不漏气。为了避免影响控制回路，要求旋转摩擦力矩小于800 gf·em，产品应能在高低温（-45～70℃）和振动环境下正常工作，结构设计还应符合产品小型化的要求，因此密封要求比较严格。
1、方案的选取
1.1 前期方案选型
在产品研制初期，采用了锥面密封的导气环结构，通过后端面加压使导气环与旋转轴的锥面紧密接触实现密封，该结构简洁且在常温下工作良好，但在低温环境下由于材料冷缩导致压力出现波动，在冲击加气试验中出现偶发的大流量漏气现象，不能保证产品的可靠性。
随后试验了双O型圈柱面密封和格莱圈（O型圈加PTFE挡圈）密封两种结构，试验证明其密封性能尤其是在低温下的动密封不能经受长时运动的考验，而且摩擦力较大，不能满足系统要求。
这些试用结构形式在其他场合虽有成熟应用，但因为高压、低温及长期磨损的原因，使得结构密封失效，中间试图通过改进材料低温l生能，并提高加工及配合精度来改善，但没能彻底解决问题。
1.2 车氏密封方案
格莱圈结构的试验证明使用柱面的密封其低温稳定性比端面密封要好，但是格莱圈的磨擦力矩大，磨损速率较高，而车氏密封方案弥补了它的一些缺点。车氏密封是一种带有薄唇结构的滑环式组合密封，考虑摩擦力因素，选择了其中的齿形滑环式组合密封形式，如图1所示。
齿形滑环与轴紧密接触，当气压施加到结构中时，O型密封圈受压变形使唇部更紧压于密封表面，气体压力越大其抱轴配合越紧。由于唇部为齿形结构，故与主轴密封接触面窄，摩擦力小，符合工作要求。此外长期工作后出现磨损，也因唇部刚性小而易被O型密封圈的弹力自动补偿，从而实现长期工作无漏气的目的。
在低温工作条件下由于整个滑环结构比较薄，因此在低温冷缩量很小，对0型圈的低温性能要求大大降低。
2、结构设计
在市场上可以选购一些车氏密封件，但是其尺寸超出太大，不能满足空间要求，因此需自行设计相关结构。一般来说高压密封结构的设计需严格遵循相关设计规范，虽然多本机械和密封参考书上均提到了车氏密封，但是它的设计规范缺少详细描述，因此需根据原理自行设计，产品总体结构如图2所示。在前期方案实施中，滑环所需改性的PTFE材料已由厂家研制成功，其耐磨性已达到研制要求，因此对密封部分较为关键的是滑环结构设计及相关配合尺寸设计。
2.1 滑环设计
滑环设计结构如图3所示。
薄唇厚度过厚影响弹性变形，不利于在O型圈作用下压紧小轴实现密封，过薄则加工困难。密封所需要的抱紧力来源于两个方面：一方面来源于滑环内孔与轴的过盈：另一方面来自O型圈压缩带来的压紧力。内孔与转轴的过盈产生对转轴的抱紧力，此应力有助于实现密封，尤其是在气体压力输入建立起始阶段。过盈配合使内孔产生弹性变形，此弹性变形有助于内孔磨损后自动补偿，对增加动密封寿命有益。
过盈量过小则抱紧力小，对密封所需抱紧力的贡献减小，同时弹性变形量过小会影响寿命；过盈量过大抱紧力增大，但其塑性变形加剧，同样会造成弹性变形量减小，严重时甚至会超出材料拉伸极限而断裂，造成密封失效。
从厂家提供的材料拉伸应力一应变曲线（图4）可见，拐点约在9 MPa，对应应变约为4%，拉断伸长率约为46%。过盈量超过拐点（约4%）之后，应力（抱紧力）增大缓慢，而塑性变形急剧增加，应变超过46%则可能断裂。
从前面分析可知，如果想兼顾抱紧力和弹性变形，最好将过盈量选择在拐点之后并远离拉伸极限，即最小过盈量宜选择不低于4%。最大过盈量的选择首先必须保证远小于拉伸极限，避免滑环断裂损伤，其次应尽量避免导气环跟随转动造成磨损，最后还需考虑安装的工艺性，避免安装时损坏。经过综合考虑，选择了过盈量在4%～14%。
2.2 O型圈压缩率设计
旋转动密封必然存在磨损，设计期望的磨损发生在转轴与滑环之间。随着磨损加剧，产品将逐渐丧失密封功能。结构中滑环的磨损靠两部分补偿：一部分是过盈带来的弹性变形，另一部分是O型圈的弹性变形。O型圈压紧力来源于初始压缩率及供气后气压的进一步挤压变形。O型圈压缩率过小则不足以提供足够的压紧力以及补偿导气环磨损，过大则装配困难，有可能在装配中损伤O型圈。此外过大的压缩量也会使O型圈低温硬化程度更严重，减小其在低温的回弹力。
O型圈最小压缩率选择首先应当保证初始密封应力的需要，其次需要考虑磨损补偿、高低温、同轴度的影响。密封推荐压缩率为8%～23%，考虑到本设计中的转轴不同轴，影响比常用状态恶劣，考虑0.2 mm的径向跳动带来的局部减小最大为0.1mm，对应5.6%，因此最小压缩率选择不低于8%+5.6%=13.6%。考虑加工公差控制能力，最大压缩率为25%，经试验，25%的压缩率未出现安装损伤，且通过-50℃、+65℃高低温试验正常。
2.3 其他设计
在压力建立后，O型圈会被气体压缩紧固，但压块对O型圈的适当压紧有助于实现压力建立前的密封。对于装配来说压块对O型圈平压可以让O型圈更好地与滑环及内壁贴合，保证安装到位。
O型圈对滑环提供密封弹力和补偿作用，但本身不能参与动摩擦。设计选用厚度为2.65 mm的O型圈产品，其分模面选择45°，这样不仅可以放宽配合公差，而且可以加大其与内壁及滑环的摩擦力，在转轴转动时避免让O型圈产生滑动摩擦，提高产品可靠性。
为了实现产品耐磨的要求，还要注意转轴与滑环接触面的粗糙度，由于本设计中不使用润滑油脂，因此粗糙度要比常规密封更小，结合实际加工水平，要求不超过0.4。由于O型圈不滑动，因此对于结构内壁的光洁度按普通要求即可。但O型圈装入时会有较大摩擦阻力，操作有所不便，此时可将O型圈抹上适量纯酒精用压块平稳挤入。
从结构上看，当转轴与回转中心轴不同轴时，O型圈受挤压变形后仍然可以在一定范围内保持密封效果，但是显然过大的不同轴度会导致密封失效。在本系统应用中，转轴在其他配合上进行轴向约束，因此在装配或运动中可能会出现较大的转轴绕转情况时（如图5），加速滑环的磨损，甚至导致密封直接失效。因此需在前端加装导向环对转轴进行良好的约束，保证其在安装和运动时与旋转中心轴同轴度。考虑运动摩擦，导向环材料也选用耐磨且有自润滑性能的改性PTFE材料。
3、试验验证
为了验证设计，对实际产品进行了一系列的测试。考虑实际加工及装配精度的波动，在公差范围内，试验考虑了各种尺寸、配合极限，使试验能够反映今后生产线上产品的实际水平。
首先是安全强度测试，根据高压管路安全规范按1.5倍额定压力进行耐压试验，结构在25MPa的条件下保压3 min，其间还以180 rpm进行运动，产品没有发生漏气情况，在显微镜下观察也没有发现打压后零件尤其是滑环出现损坏迹象。
密封结构中O型圈及导气环等非金属材料对温度敏感，因此需要进行高低温性能校核，产品在-50～70℃下进行加气试验，包括反复突然加放气、长时快速转动等。高低温箱内外温度差异较大，为了避免加气时气体对结构的加热（或致冷）影响，试验时应将气源瓶放在高低温箱内，以达到真实测试的目的。由于低温对结构的影响最不利，因此在低温进行了重点考核，其间还通过装置测量其转动摩擦力，达到控制系统的要求。经过对多个产品三轮的测试，没有出现一例密封失效情况。
按要求进行寿命试验，控制产品在180 rpm转速进行运动，同时施加15 MPa的气压，大约每10rain进行转向的改变，如此循环进行，当测得的泄漏量超过0.2 L/min时（从电子流量计上观察）即认为密封失效。经过对5个产品实测，在转动50万转后进行高低温和高压试验（25 MPa），均没有发现漏气情况，随后继续进行试验，转动圈数在超过了180万转后均未出现漏气情况，远远超过了设计使用要求。此外对磨损的滑环进行观察，没有发现粉屑掉落的现象，可以满足气路干净要求。
试验件还通过了振动、机械冲击、高低温存储等试验，最后结构产品装入实际产品内，与探测光电系统一起按总体标准进行了全套相关试验，均没有发现一例密封失效的情况。与前期方案相比不仅在密封的可靠性上大大增强，而且由于摩擦阻力力矩小，使得控制回路响应更为灵敏。
相关试验表明，设计的旋转密封结构在密封性能、环境适应性和可靠性上均满足产品要求。
4、结论
根据车氏密封原理设计的高压气体旋转密封装置，实现了无油润滑、小摩擦力、高速旋转和高压气体密封，其各项指标均达到了产品的要求，可靠性和环境适应性达到了航空标准的要求，解决了某红外光电系统中的漏气问题。随着框架式红外平台的发展，这种旋转密封结构对于需跟随平台运动的致冷器供气系统具有很重要的意义，对于其他高压供气（或液压传动）产品的应用也有良好的借鉴意义。
