密封分类、原理、结构、应用、选型(中级)

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密封分类、原理、结构、应用、选型(中级),1,密封的定义、分类及原理,常见密封件的结构及应用,常见密封系统的选型,2,密封,的作用及其意义,在液压与气压传动系统及其元件中，安置密封装置和密封元件的作用，在于防止工作介质的泄漏及外界尘埃和异物的侵入。设置于密封装置中、起密封作用的元件称为密封件。,液压与气压传动的工作介质，在系统及元件的容腔内流动或暂存时，由于压力、间歇、粘度等因素的变化，而导致少量工作介质越过容腔边界，由高压腔向低压腔或外界流出，这种“,越界流出,”现象称为,泄漏,。,3,泄漏分为,内泄漏,和,外泄漏,两类。,对于,液压传动系统,，,内泄漏,会引起系统,容积效率,的急剧下降，达不到所需的工作压力，使设备无法正常运作；,外泄漏,则造成,工作介质浪费,和,污染环境,，甚至引发,设备操作失灵,和,人身事故,。,内泄漏,指在系统或元件内部工作介质由高压腔向低压腔的泄漏；,外泄漏,则是由系统或元件内部向外界的泄漏。,单位时间内泄漏的工作介质的体积称为,泄漏量,。,对于,气压传动系统,，由于其工作介质为压缩空气且工作压力不,高，因此气体的泄漏问题往往得不到应有的重视。其实，,气压,传动系统中的泄漏,同样会造成,系统压力下降,，,能耗加大,，,动作,紊乱,，或造成,真空系统中的负压建立不起来,；,气缸进气口的泄,漏,将造成,气缸低速运行的爬行,，等等。,4,密封的分类,动密封,往复密封,旋转密封,静密封,O形圈、方形圈、组合垫片、金属垫片,迫紧密封,(,挤压形密封,),O形圈、鼓形圈、蕾形圈、山形圈、D形圈、组合密封,唇形密封,Y形圈、V形圈,旋转油封,有骨架、无骨架油封，有簧、无簧油封，单唇、双唇油封,机械密封,5,二、密封原理,流体润滑理论弹性力学 有限元法 实验应力分析技术,密封机理涉及的学科,密封机理涉及的学科,密封件分类,1,、挤压型密封圈,2,、往复运动密封圈,3,、旋转轴用密封圈,6,Profile under pressure loading /,承受压力状态,(,Radial stress distribution),径向压力分配情况,Medium under pressure /,受压介质,Primary lip,/ 主密封唇,EXAMPLE/,举 例:,Finite Elements Analysis,有 限 元 结 构 分 析,7,密封机理,动密封的密封机理,动密封不能单纯依靠封闭结合面间的间隙来实现密封，因为结合面间的间隙密封得愈紧密，对偶表面相对运动时的摩擦阻力就愈大，导致结合面发热，影响润滑油膜的形成，使密封很快失效。因此，对动密封作用机理的研究，集中在结合面间形成与保持润滑油膜的机理方面，这样既可保持密封，又不致于有过大的摩擦力。,8,静密封的密封机理,静密封是依靠封闭结合面间的间隙以实现密封作用，不需要考虑摩擦与磨损。密封表面的泄漏是由密封圈的材料性质、配合表面的加工精度、粗糙度和压紧程度决定的。使用橡胶和软金属等类材料，用较小的压紧力就可以完全压紧，从而阻止流体的泄漏；对于较硬的金属垫圈，有时使用较大的压紧力不能完全压紧，以致密封性差，但如降低表面粗糙度，增加表面真实接触面积，用较小的压紧力也可以改善密封性能。,为使密封圈在流体压力作用下保持密封，通常在设计时规定极限密封比压值，,此极限密封比压是指密封圈在流体压力作用下仍能保持密封可靠性时的比压,。考虑到密封力与内压力之间的定性关系,(,局部非线性,),，实际使用时应该使初始密封力达到与极限比压相当的极限比压以上，使用时才较为安全。,9,挤压型密封圈,典型挤压密封件,（用于静密封和低速动密封）,10,挤压型密封圈原理：,预密封作用,:,密封圈压缩,密封面变形,初始压缩应力,自密封作用,:,流体通过,应力等于初始应力,+,流体压力,大于流体压力,11,挤压密封原理举例,825%,的压缩量产生反弹力起预密封作用,举例,O,形圈用于静密封时,密封原理,流体压力,P,传递给接触面而形成的接触应力分布,12,总的最大接触压力：,P,3max =,P,1max,+ k P,式中：,P,流体压力,k,流体压力传递系数,K1,P,1max,最大初始接触压力,P,3max,总的最大接触压力,当,P,3max,P,时，即可以保证,可靠的自密封。,举例,O,形圈用于静密封时,密封原理,13,往复运动密封圈,往复运动密封圈的结构形式（三类）,）,1,、标准型,V,形、,U,形、,Y,形、,L,形、,J,形、,鼓形、蕾形等,2,、变异型,3,、滑环组合密封等,14,唇形密封圈结构,V,形、,U,形、,Y,形、,L,形、,J,形等,将密封圈的受压面形成唇形并具有压力强化作用,唇口,15,唇形密封圈的密封原理：,P=Pri+Prp,式中：,Pri,预压紧力,Prp,流体压力,唇形密封圈,具有比挤压型,密封圈更显,著的自密封作用。,16,旋转轴唇形密封圈,普通标准型油封的断面图,（主要由,3,部分组成）,17,旋转轴唇形密封圈的密封原理,接触面出现三种情况，不断交替产生。干摩擦产生磨损，流体润滑产生泄漏，在边界润滑下形成流体动压油膜起密封作用,干摩擦,流体润滑,边界润滑,18,油在密封唇口下形成的边界润滑油膜示意图,油膜厚度约,0.0025mm,19,20,O形圈应用知识,密封机理：,O,形密封圈是一种自动双向作用密封元件。安装时其径向和轴向方面的预压缩率与,O,形密封圈自身的初始密封能力。它随系统压力的增大受挤压而产生应力，从而达到密封效果。,21,O,形圈密封方式,常用密封：,1.,静密封,（轴向静密封和径向静密封 ）,2.,动密封,（液压往复运动）,3.,动密封,（气压往复运动）,特殊密封：,1.,转动密封,（旋转运动）,；,2.,滑动密封,（往复运动）,；,3.,浮动密封,（往复运动）,；,4.,开关密封,（开或关）,。,22,O,形圈密封特点,优点：,1.,结构简单，体积小，安装部位紧凑，所需安装空间小；,2.,具有自密封作用，不需要周期性调整；,3.,静密封可以做到不泄漏；,4.,适应性大，使用简单，用途广；,5.,品种丰富，价格便宜。,缺点：,1.,用于压缩密封时，起动摩擦阻力大；,2.,如使用不当，容易引起,O,形圈切、挤扭、断等事故；,3.,动密封还很难做到不泄漏，只能控制其渗漏量不大于规定许可值；,4.,某些场合使用，往往需要加装保护挡圈和防尘圈。在气压和水压等密封中，有时还需配备润滑附属装置。,23,Part 3.1,O,型,密封圈,1.,主要性能,O,形封圈,是一种截面为圆形的橡胶圈，如,图,5-1,所示。其材料主要为,丁腈橡胶,或,氟橡胶,。,O,形密封圈是,液压,与,气压传动系统,中使用最广泛的一种密封件。它主要用于,静密封,和,往复运动密封,。,图,5-1,O,形密封圈,d,1,O,形圈内径,d,2,O,形圈截面直径,其使用速度范围一般为,0.0050.3m/s,。用于,旋转运动密封时,，仅限于,低速回转密封装置,。如液压挖掘机的中央回转接头的分配阀动密封机构。一般,O,形密封圈在旋转运动密封装置中使用较少。,24,O,形密封圈,与其他形式密封圈比较，具有以下,优点,：,1,）,结构小巧,，,装拆方便,。,2,）,静,、,动密封,均可使用。,3,）,动摩擦阻力,比较小。,4,）使用单件,O,形密封圈，可对,两个方向,起密封作用。,5,）,价格低廉,。,但是,，当设备闲置时间过久而再次起动时，,O,形密封圈的摩擦阻力会因其与密封副耦合面的粘附而陡增，并出现,蠕动,现象。,25,2.,用于静密封时的密封原理,当没有介质压力时,，密封圈在自身的弹性力作用下，对接触面产生一个预接触应力,p,0,，如,图,5-2a,所示。,图,5-2,O,形密封圈的静密封原理,a),空载状态,O,形密封圈,装入密封槽后，其界面承受接触压缩应力而产生变形,26,而当容腔内充入有压力的介质后,，则在,介质压力,p,的作用下，,O,形密封圈,发生位移，移向低压侧，且其弹性变形进一步加大，填充和封闭了,密封间隙,。此时，作用于密封副偶合面的接触压力上升为,p,0,+,p,=,p,m,，从而大大增加了密封效果，如,图,5-2b,所示。,当容腔内的介质卸压后,（,p,=0,），则由于,O,形密封圈仍具有初装时的,预接触应力,p,0,，故仍能保证密封性能。此即所谓,O,形密封圈的自密封作用。,图,5-2,O,形密封圈的静密封原理,b),承载状态,2.,用于静密封时的密封原理,27,3.,用于往复运动密封时的密封原理,O,形密封圈,在往复运动滑移面上的接触情况，如,图,5-3,所示。此时,O,形密封圈的,动密封作用,主要还是依靠其,预压缩,和,加压后作用于耦合面上的接触应力,，且由于,O,形密封圈自身的弹性而具有磨损后自动补偿的能力。,图,5-3,O,形密封圈的动密封原理,28,此外,，,还存在其他复杂情况,：,当用于液体介质密封时,，由于液体的,压力,、,粘度,及,运动速度,等因素的作用，沿滑移面和密封件间形成一层粘附力极强的边界层液体膜，如,图,5-3a,所示。这层液体薄膜始终存在着，它亦起一定的密封作用。,当滑移面向外伸出时,，液体膜随之一起探出，如,图,5-3b,所示。,当滑移面缩回时,，液体膜则被密封件阻留于外侧。随着滑移面往复次数的增加，阻留于密封件外侧的液体膜日渐增厚，最后形成液滴，从滑移面滴下（见,图,5-3c,）。这就是,O,形密封圈用于往复运动密封时会产生泄漏的原因。,因此，,O,形密封圈不宜应用于滑移面需频繁往复运动的密封装置中,。,29,O,形密封圈,良好的密封效果很大程度上取决于,O,形密封圈尺寸,与,沟槽尽寸匹配的正确性,，世界各国的标准对此都有较严格的规定。,密封装置设计时若,O,形密封圈的压缩量选择过小,，或,加工沟槽时公差波动使压缩量趋小,，装配后就会引起泄漏；如果,压缩量选择过大,，或,加工沟槽时公差波动使压缩量趋大,，则会导致,O,形密封圈橡胶应力松弛而形成泄漏。,同样，若,装配后,O,形密封圈拉伸过度,，也会因其过早老化而引起密封装置泄漏。,4.,应用,30,O,形密封圈的,拉伸量,和,压缩率,c,可按下列公式计算,（,5-1,）,（,5-2,）,式中,d,2,O,形密封圈截面直径；,D,O,形密封内径；,D,1,、,D,2,、,D,3,，如,图,5-5,（见教材,P232,）,所示；,h,O,形密封圈安装空间的高度，即,d,c,O,形密封圈安装空间的高度，即：,k,c,系数，一般取,k,c,=1.251.45,。,31,O,形密封圈的,拉伸量,和,压缩率,的选用范围，见,表,5-5,。,表,5-5,O,形密封圈的拉伸量和压缩率的选取范围,由,表,5-5,可知，,静密封的压缩率大于动密封,，但是其极值应,小于,25%,。否则压缩应力明显松弛，将产生过大的永久变形。在,高温工况,中，尤为严重。然而,压缩率也不宜过小,，否则当装配部位存在偏心时就会消失部分压缩量，也会导致泄漏 。,O,形密封圈,安装沟槽的宽度,为,O,形密封圈直径的,1.31.5,倍,，即,b,=1.31.5,d,2,。,静密封时,，压缩量较大，应取大值；往复动密封时，应取小值，,旋转动密封时,，取,b,=1.051.1,d,2,，并应考虑摩擦生热引起密封圈内径收缩，从而影响密封质量的问题 。,32,当被密封的介质,工作压力较高时,，,O,形密封圈会因产生弹性变形而被挤进密封耦合面间的缝隙 ，引起,密封圈破坏,。,解决方法,:,当,动密封工作压力超过,7MPa,或,静密封工作压力大于,32MPa,时，应在,O,形密封圈,低压侧安置挡圈,；若,双向交替受介质压力,，则于密封圈,两侧各加一个挡圈,，如,图,5-6,所示。,图,5-6,O,形密封圈挡圈的安装,a),单向受压,b),双向交替受压,在经常承受脉冲压力的密封装置中,，也应采用,挡圈,，以防止密封圈异常损耗。挡圈的材料一般为,聚四氟乙烯树脂,，或,尼龙,1010,和,尼龙,6,等。,33,O,形圈标准,旧国标,GB1235,76,规定的,O,形圈截面直径（又称线径）有,1.9,、,2.4,、,3.1,、,3.5,、,5.7,等，,O,形圈采用“外径,线径”的标记方法，一般称为老国标；,新国标（,GB3452.1-82,与,GB3452.1-92,）,GB3452.1-82,与,GB3452.1-92,基本相同，一般称为新国标，它规定的,O,形圈截面直径有,1.8,、,2.65,、,3.55,、,5.3,等，新国标采用国际惯例，,O,形圈采用“内径,线径”的标记方法。,日本标准（,JIS B 2401,）,(,线径,1.9 2.4 3.1 3.5 5.7 8.4,，,G,系列为静密封专用,P,可动静密封通用,),德国标准,DIN 3771/1,美国标准（,AS 568,）,国际标准（,ISO 3601/1,）,英国标准,BS 1516,（,线径,1.78 2.62 3.53 5.33 7.00,）,34,O形圈工作条件,1.,材料,:,合成橡胶（一般为丁腈橡胶）,2.,工作介质,:,石油基液压油和压缩空气,3.,工作温度,:,一般场合：,-30,+110,；特殊橡胶：,-60,+250,；旋转场合：,-30,+80,4.,工作压力,:,无挡圈时，最高可达,20MPa,；有挡圈时，最高可达,40MPa,；,5.,工作速度,:,一般小于等于,0.2m/s,，最大往复速度可达,0.5m/s,，最大旋转速度可达,2.0m/s,。,35,Part 3.2,Y,型,密封圈,1.,主要性能,Y,形密封圈,的截面呈,Y,形，是一种典型的,唇形密封圈,。,按其,截面的高,、,宽比例不同,，可分为,宽型,、,窄型,、,Y,x,型,等几类,若按,两唇的高度是否相等,，则可分为,轴,、,孔通用型的等高唇,Y,形密封圈,和,不等高唇的轴用,Y,形密封圈,和,孔用,Y,形密形圈,如,图,5-7,所示。,图,5-7,Y,形密封圈,a),等高唇,b),不等高唇（,Y,x,型,）,36,Y,形密封圈,广泛应用于,往复动密封装置,中，其使用寿命高于,O,形密封圈。,工作速度范围：采用丁腈橡胶制作时为,0.010.6m/s,；采用,氟橡胶,制作时，为,0.050.3m/s,；采用,聚氨酯橡胶,制作时，则为,0.011m/s,。,Y,形密封圈的密封性能、使用寿命及不用挡圈时的工作压力极限，都以聚氨酯橡胶材质为佳。,Y,形密封圈的适用,工作压力不大于,40MPa,，,工作温度为,-30+80,。,Y,形密封圈的,性能特点,：,1,）密封性能可靠；,2,）摩擦阻力小，运动平稳；,3,）耐压性好，适用压力范围广；,4,）结构简单，价格低廉；,5,）安装方便。,37,2.,密封原理,Y,形密封圈,依靠其张开的唇边贴于密封副耦合面，并呈线状接触，在介质压力作用下产生“,峰值,”接触应力，,压力越高,，,应力越大,。,当耦合件以工作速度相对运动时,，在,密封唇,与,滑移耦合面,之间形成一层,密封液膜,，从而产生密封作用。密封唇边磨损后，由于介质压力的作用而具有一定的自动补偿能力。,38,图,5-8,所示为,带有副唇的轴用,Y,形密封圈,。每次往复运动后，在其主、副唇之间都会残留下微量液体（工作介质）。随着往复运动次数的增多，残留液体将充满主、副唇之间的空间，形成一个特殊的“,围困区,”。,当主唇处于工作状态时,，由于“,围困区,”内液体不可压缩，其间的压力,远远高于,小腔内,的工作压力（见,图,5-8,）。此时，,副唇,与,耦合面,的接触应力，也,远远大于,主唇,与,耦合面,间的接触应力。因而，,当轴外伸,图,5-8,带副唇的轴用,Y,形密封圈截面,1,副唇,2,主唇,3,小腔,时,迫使“,围困区,”内的液体压回小腔，从而形成了可靠的密封状态，提高了,Y,形密封圈的密封性能。,“围困区”内的压力越高,，,则副唇对耦合面的接触应力越大,，,密封性能也就越良好,。,p,39,3.,应用,安装,Y,形密封圈时,，唇口一定要对着压力高的一侧，才能起密封作用。,为了防止在高压状态下,，,Y,型密封圈的根部因材质塑性变形而被挤入密封耦合面的间歇，故应控制滑移耦合件间的,配合间隙,的大小，使其,不超过,表,5-6,（见教材,P234,）,所规定的,最大值,c,，见,图,5-9a,。对于工作压力,大于,16MPa,的,Y,形密封圈，为保证其使用寿命，防止密封圈的根部被挤入配合间隙，应在密封圈根部处安装挡圈，如,图,5-9b,所示 。,图,5-9,Y,形密封圈的安装,a,）,控制间隙,b,）,安装挡圈,1,挡圈,40,为了防止,Y,形密封圈在往复运动过程中出现翻转、扭曲等现象，即,保持其运动平稳性,，可在,Y,形密封圈的唇口处设置,支承环,，如,图,5-10,所示。,图,5-10,安装支承环的,Y,环密封圈,a),单向受压,b),双向受压,支承环上开有,均布的导流小孔,，以利于压力介质通过小孔作用到密封圈唇边上，撑开双唇，保持,Y,形密封圈的正确动态姿势，保证其良好的密封性能。,对于,宽型,Y,形密封圈,，其截面的宽度为高度的二倍或二倍以上。这种密封圈不会在沟槽里产生翻转、扭曲，,可不安装支承环,。,41,Part 3.3,V,型,密封圈,1.,主要性能,V,形密封圈的截面呈现,V,形，也是一种典型的唇形密封圈。,根据制作的,材料,不同，可分为,纯橡胶,V,形密封圈,和,夹织物,（夹布橡胶）,V,形密封圈,等。,V,形密封圈的密封装置由,压环,、,V,形密封圈,和,支承环,三部分组成 ，如,图,5-11,所示。,图,5-11,V,形密形装置,1,压环,2,V,形密封圈,3,支承环,42,V,形密封圈主要用于,液压缸活塞,和,活塞杆的往复动密封,，其运动摩擦阻力较,Y,形密封圈大，但,密封性能可靠,、,使用寿命长,。,工作速度范围,：采用,丁腈橡胶,制作时为,0.020.3m/s,；采用,夹布橡胶,制作时为,0.0050.5m/s,。,当发生泄漏时,，可只调整压环或填片而无须更换密封圈。,V,形密封圈的,最高工作压力,60MPa,，,适用工作温度,-30+80,43,密封件,液压与气压传动,V,形密封圈的性能特点：,1,）耐压性能好，使用寿命长；,2,）根据使用压力的高低，可以合理地选择,V,形密封圈的数量以满足密封要求；并可调整压紧力来获得最佳综合效果；,3,）根据密封装置不同的使用要求，可以交替安装不同材质的,V,形密封圈，以获得不同的密封特性和最佳综合效果；,4,）维修和更换密封圈方便；,5,）密封装置的轴向尺寸大，摩擦阻力大。,44,2.,应用,安装,V,形密封圈时,，同样必须将,密封圈的凹口面向工作介质的高压一侧,，如,图,5-12,所示。,图,5-12,V,形密封圈的安装与调整,1,调节螺栓,2,调整垫片,45,应根据,工作压力,合理选择,V,形密封圈,组合个数,及,压环,、,支承环,和,调整垫片,的,材质,，见,表,5-7,。,表,5-7,V,形密封圈组合个数及压环、支承环和调整垫片的材质,注：,可用；,有条件使用；,不可使用；,较佳。,46,V,形密封装置中,，压环上的,V,形槽角度,，应与,V,形密封圈,完全吻合。压环与密封副耦合面之间,间隙,大小应,严格控制,，以防止,V,形密封圈的唇边在介质压力作用下，被挤入间隙而造成唇边撕裂。,47,表,5-8,压环与耦合面之面的间隙值（夹织物,V,形密封圈）,合理的间隙值见,表,5-8,。,支承环,与,孔,及,轴面,之间的间隙值一般为,=0.250.4mm,。,48,为了保持液压缸的运动精度，对,压环,和,支承环的制造精度,要求较高。,V,形密封圈材质的选用应根据密封装置的,工作压力,和,工作速度,来进行，见,表,5-9,（见教材,P236,）,。,夹布橡胶,V,形密封圈的,耐压性能,和,耐磨性能,均比纯橡胶,V,形密封圈好。而纯橡胶,V,密封圈又具有优良的密封性能。所以，若,将这两种不同材质的密封圈,，,交替组装起来使用,，便能充分发挥各自的特性，获得最佳的密封效果。,49,各公司密封互换表,50,各公司密封互换表,51,