活塞杆帽式密封件性能分析

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现有的无油润滑活塞杆基本上多是采用组合式的密封来防止油、气的泄漏问题。其中最常用的是由填料函和挡油圈的组合，以填料函密封活塞杆和气缸座之间的间隙，防止气体由气缸内沿活塞杆向外泄漏 ；而用挡油圈阻挡曲轴箱内的润滑油被活塞杆带入填料函内，最终渗入气缸内。

有时为了增强阻油效果 ，还可再设置有刮油器 ，这种现有的组合式密封存在有下述的不足之处 Il1。

(1)填料函的摩擦阻力大，不仅功率损耗大，而且易发热，冷却效果差，若欲增强冷却，则又造成结构复杂、成本增加等问题；收稿 日期：2012-11-05(2)填料易磨损，形成漏气，故需经常调整、更换，加重了保养维修工作；(3)刮油器内密封环磨损后得不到补偿 ，导致刮油效果下降，使用寿命短；(4)挡油圈橡胶挡油唇口与轴颈卡紧程度的自动补偿能力弱，密封可靠性差。

为此 ，设计-种无油润滑活塞杆防气、防油密封组件，解决现有密封组件阻力大、功耗大不能自动补偿磨损造成使用寿命短的技术问题，该组合式密封结构如图1所示 [1。

参见图 1，本密封结构包含自紧式的帽式密封件 1(2、l8、17、19、3)和滑动密封件 (6、7、l3、15、16)两部分，帽式密封件 l和滑动密封件分别穿置在活塞杆 9上 ，该帽式密封件 1由盖板 2、帽式密封环 18、0形圈 V (17)、挡圈 19和2013年01期(总第237期)- )II 蓁 91011 212131415 316气缸壁图 1 无油润滑活塞杆密封结构示意图垫板 3组成。以填充聚四氟乙烯制成的帽式密封环 l8设置在垫板3的座孔内，其内圆周面与活塞杆4接触，其外圆周面套设有 0形圈V (17)，-般设置-个 0形圈 V (17)，或更多的数量。叠置的 0形圈 V (17)和帽式密封环 l8上端面受盖板2座孔端面的阻挡 ，帽式密封环 18下端面抵靠在垫板 3的上端面上，由于0形圈V (17)的内缩，故帽式密封环 18内孔的周面始终紧贴在活塞杆 9的外周面上，形成自紧式的帽密封，以防止气体从气缸内沿活塞杆 9外泄漏l1。

2 密封介质压力对帽式密封密封性能的影响2.1 O形橡胶圈产生的预压缩量不同的安装过盈量会对0形橡胶圈产生预压缩量，而预压缩量使0形橡胶圈与帽式密封环产生接触应力 fro 。其接触应力 O-ot沿接触宽度b的分布近似为抛物线，最大值盯 可用下式计算 [2]叮 - (1)式中 E--橡胶材料的弹性模量，MPad广 自由状态下0形橡胶圈截面直径 ，mm- - 压缩后橡胶圈截面在变形方向上的尺寸，mm- - 0形圈压缩率其计算公式 (do-h)/do2.2 被密封气体无压力当被密封气体无压力时，帽式密封环 18内圆和活塞杆 9外圆间接触应力 o"o为 [2]ooLo"0 (2)- 2013年01期(总第 237期)式中 --接触应力传递系数，Od 12.3 被密封气体有压力在被密封气体存在压力的情况下，0形圈 V(17)被气体推靠在放置于沟槽的挡圈 19的侧面之后进-步变形 (图3、4)，对帽式密封环形成侧压力，使之密封环之间的径向接触应力 (MPa)增大，其计算公式如式 (3)所示 [2lcr0 7 0 (3)同时 ，帽式密封环与被密封表面之间的径向接触应力 也增大 21O'OtO" -0/( 0，印0) (4)将式 (3)代人式o->p。

式中 --动密封表面间的接触应力，MPap0- 被密封气体的压力，MPa得到保证密封的初始应力o-o 31，o≥ p (5)ot式中 m--压力传递系数，m

图 3 斯特林机密封试验台实物图图 4 帽式密封试验的顶腔内氢气压力随时间变化的曲线图如图4所示，为密封氢气压力为 8 MPa时，帽式密封试验的顶腔内 (帽式密封件上方的密封腔体)，氢气压力随时间变化的曲线图。由图中可以看出，活塞杆刚开始做往复运动时 (第 0～0.5 h)，帽式密封环与活塞杆为跑合磨损阶段，温度升高，顶腔内氢气压力上升；第0.5-3 h附近时间段内，系统达到热平衡，压力又逐渐恢复到初始气压；第 3～5.5 h，气体压力氟橡胶0形圈V开始向内挤压帽式密封环，导致帽式密封环与活塞杆间的接触压力增大，单位时间间隔内从该处泄漏的氢气体积减少，压降减小；第5.5-8 h附近时间段内，帽式密封环与活塞杆达到稳定磨损，氢气泄漏量恒定，单位时间间隔内的压降均匀。

如图 5所示，为密封氢气压力为8 MPa时，帽式密封试验的曲轴箱内 (帽式密封件下方的密封腔体)，氢气压力随时间变化的曲线图。由图中可36l 瓣 慰以看出，试验台运行的第 00.5 h，氢气从活塞杆间隙泄漏增多，曲轴箱内氢气压力迅速升高；第0.5～4.5 h，由于箱内气压的作用，D形圈 被氢气推靠向挡圈 19的侧面之后进-步变形，对帽式密封环形成向内侧压力，使帽式密封环与活塞杆之间的接触压力增大，通过该密封面的氢气泄漏量减小，导致压力迅速降低至 0.036 MPa。

0 、图 5 帽式密封试验的曲轴箱内氢气压力随时间变化的曲线图4 结论(1)由图 4可知 ，系统热平衡时，帽式密封件稳定磨损，磨损量大，顶腔氢气压降大，可见在高压气体作用下，帽式密封密封效果不佳，气体泄漏快。

(2)由图5可知，高压气体对帽式密封件的0形圈起到侧挤压作用，-定程度上延缓了氢泄漏至曲轴箱内的速度，使得曲轴箱内气体压力较校由此可见，提高帽式密封件在高压下的耐磨性，减dsO形圈的弹性模量， 使0形圈更易受气体挤压产生侧变形 ，能从理论上提高帽式密封件的性能。