橡胶密封制品-华山论剑(四）
橡胶密封制品技术讲座《三》（接上期） 2、油封的磨擦扭矩：橡胶的摩擦特性与其他刚体不同，影响的摩擦因素较多，特别受温度和作用的时间影响较大，而对一般刚体材料则不需要考虑。它可以在较大的温度范围（例如金属与金属的摩擦）测量出相同的摩擦系数，同时在接触面上两物体停置的时间（作用时间）长短也不影响其数值。因此对于橡胶的摩擦特性不能采用一般的物理上的概念进行准确有效的测量出它的摩擦系数。对油封来说，一般只能在特定的条件下，测量它的摩擦扭矩M，通过摩擦扭矩计算出摩擦系数，控制适当的范围。 M=∏DMP r 式中：M-摩擦扭矩，D1-轴径，P r-径向力，µ-摩擦系数 油封摩擦系数 滑润油 最低 最高 2#润滑油 1#锭子油 3#陆用内燃机油 2#气缸油 0.3 0.2 0.3 0.4 0.8 0.45 1.0 1.2 在表中，是ρ+0油封的摩擦系数，随着轴径的增加，摩擦系数与轴径的1/3次方或正比的增加。若摩擦扭矩（或摩擦系数）太大，导致唇口温升增加，油封易磨损，使用寿命降低；若太小可能径向力太小，接触油膜太厚，易形成流体油膜而导至泄漏。 3.油封唇口温升：油封接触面与轴产生相对回转，摩擦生热，而橡胶又是热的不良导体，在唇口就会产生局部温升，温升的大小与轴的速度，轴径、胶料的性能，油的种类，径向力的大小有关。若其它条件固定，温升与轴径D1和角速度ω的关系以下式表示： △TɑɑD11/2ω2/3 胶料种类对温升的影响如图示。油封唇口的温升情况，是以等温线的形式分布的，如图七在油封与轴面接触的最尖处温度最高，胶料设计的使用温度范围应该考虑唇口的最高温升，否则唇口部位老化裂口，降低油封的使用寿命。 4.油封胶料的硬度：油封胶料的硬度，直接与胶料的弹性模量有关。硬度的变化影响到油封唇口部位的接触宽度，径向力，摩擦特性等，一般认为油封胶料的硬度在65º--75º（邵氏）为宜过高或过低对密封都不利。我们指的硬度为常温测量的数值，要注意在实际使用中的差异，硬度是会随温度，使用时间及油的种类不同而变化。 5.油封唇口的接触宽度，唇口接触宽度影响径向力的分布，摩擦特性，通常控制接触宽度在0.25毫米以下，同时在使用过程中，接触宽度仍要增加，增长的速度与胶料的耐磨性能和蠕变性能有关。 6.偏心距离：油封内园和外园两个园心偏离的距离，偏心距大运转过程中受力不均，同时振动加剧，降低油封的使用寿命（应注意油封本身的偏心和油封座及轴的机械加工或安装的偏心，影响的结果是一样的）。一般要求油封名义内径在50毫米以下者，取大偏心距不得超过0.3毫米。这里所提的是油封本身的要求，如果是设备本身，偏心距大可选用型防偏心油封。 7.介质的压力：一般油封使用的介质较低，在0.3-0.6公斤/厘米，压力增加油封使用寿命，若压力较大，需要设计耐压油封，或者设计耐压支承圈（如图九） （四）其它油封： 近年生产的回流油封，为制造高速和长寿命的油封，开辟了新的途径。它的工作原理如图十所示，一个是内孔高度光滑的金属轴套，另一个是刻有螺纹的金属旋转轴，它们之间有很小的间隙（约0.5毫米），当轴转动时，在系统中形成两股液流（向内、向外），一般是螺旋的推移，由于粘附力切力作用，将一定粘度的介质推向内流，当内向流量等于或大于外向流量时，便可实现密封。但若反向转动，螺纹沟便会将介质泵向大气一侧。这种密封原理就是回流油封的工作原理，只要将螺旋刻在油封的唇口上，轴面是光滑的，在运转时同样可以密封。 1.单向回流油封 如图十一，反弹向回流油封，为了停机时不漏油，设计有静唇边，在一定的径向力的作用下，静唇边与螺旋凸条同时与轴相接触，在旋转时（如图旋转方向），没同样存在两种流向，一是透过静唇边向大气方向一侧泄漏，另一种是油经螺旋凸条的推移，将泄漏的油透过静唇边流向油侧（称之为回流），只要回流油量等于漏油量就可以获得密封，回流的油之所以能够克服静唇边的阻力，流向油侧，是积在螺旋凸附近的油压逐步升高所致。（相当于一个泵的作用）但若反转，螺旋凸条就会将泄漏的油，加速流向大气侧，就起不到回流的作用。如果在反转时静唇边仍能起密封作用的话，也可以保持不漏，但往往这种设计的静唇边密封能力是不够的，只能适合在低速时反转（如汽车倒车的反转）由于这种油封适合单向旋转，所以称之为单向回流油封。 2.双向回流油封 以同样的速度正转，或者反转都可以回流，获得同样的密封效果，目前这种油封仍在继续研究，按所试验的种类来说有三角形（图十二），波纹形（图十二）作用原理和单向回流的原理类似。 图十二在油接触带区，没有间隔的三角凹穴相平行的一边凸棱都相当于螺纹凸条，这样就构成了双向回流的螺纹凸条，而未被切断的周向连续接触带，相当于静唇边。当轴如图所示的方向旋转时，透过静唇边的油进入三角凹穴处X的一边（X）油压以Xa至X0是逐渐增中的，最后透过静唇边产生回流。而沿三角穴区的另一边（Y），产生负压有将油透过静唇边，向大气一侧泄漏的趋势。压力分布如图Ya至Y0的情况，但透过的油，马上被转轴带向X一侧面回流。只要回流量等于漏油量就可以达到双向回流的目的。停止转动时，静唇带又可以密封。根据这一原理设计的油封还有波纹形双向回流油封。 回流油封（或称液压动力油封），它的最大特点刘在接触面得到很好的润滑。随着转速的增加，回流的油压迅速增加，克服静唇径向压力，油液在接触面上进进出出，既减少了接触面的摩擦，而带走了由于摩擦所积累的热量，所以唇口温升低，当停止转动时，静唇又可以有效的密封（波浪级油封的连续的波浪筋条又可起静唇的作用），所以这种类型的油封可使用在高速旋转的场合，而且有很长的使用寿命。 橡胶密封制品技术讲座〈四〉 四、其它密封制品 （一）橡胶皮碗 通常用于往复运动密封件（除“O”形圈外）都叫做皮碗（我公司又叫密封圈），多用于油缸和活塞杆往复运动的密封和传递压力，按其断面形状和用途来分，种类很多，现将世达公司经常生产的几种介绍如下： （见图一）a、b、c、d、e U形圈用于油、水、往复密封，接触压力主要靠介质压力的自封作用，本身在工作面有一定倾任意斜，安装时产生压缩变形，也具有一定的接触力，无类层的使用压力最高为10Mpa／厘米2，有夹层的可使用至30Mpa／厘米2，但不适用于快速运动，可用于慢速旋转密封，图一a V形圈用于油、水密封，由于有支撑环和压环，又可以重叠使用，无夹布的可用至30Mpa／厘米2，而有夹布的可用至60Mpa／厘米2，图-C为V形圈 I形圈用于中压和低压油、水、汽密封，图一E Y形圈目前在液压系统中使用较多，较早的形状为等高（或等脚），见图二3，这样在使用中由于背压（或底压）的作用，或安装过程中容易损坏唇边。因此目前多为长短脚，工作面的一边为短脚，所以有内用和外用之分。Y形圈摩擦阻力小，丁腈胶制造的可用于14Mpa／厘米2以下，若加挡圈可用至14--30Mpa／厘米2，有些聚氨脂橡胶制品可用于30Mpa／厘米2以下，加挡圈可用于30—70Mpa／厘米2，在苛刻的条件下使用的，可采用唇边有倒角的，使接触压力集中分布（见图二6），Y形圈不希望在跟部有倒角，否则产生两个压力峰（见图二5），会影响密封效果。 目前，Y形圈断面皮碗又有新的改进，提高断面高与断面宽的比值，要求这一比值等于或大于2，即成为更细长的断面，减少轴面至槽底的距离（间距），也就减少了皮碗的环形承压面积，从而提高了在高压下的稳定性，这种皮碗称之为“小Y形”皮碗，制动皮碗。 使用特点：一般直径小，行程小，制动时才传递压力（如图三） 在介绍以上的皮碗中，根据它们的使用特点，要求皮碗尺寸准确，特别是制动皮碗，要求弹性好，受力变形后恢复速度快，耐磨性能、曲挠性能好，在低温场合使用，要求耐寒，与之接触的金属表面要求光滑，要求光洁度为新型组合往复式密封圈（NCF） 如图五A为新型组合往复密封圈（NCF）断面结构，是把纯胶夹布、挡圈，组合成一个整体，中间有一个凹槽，这样就形成了相对的两个唇口，如图五B，AB两处当液压方向自左向右时，B关闭，这样可以密封双向液压，由于凹槽有油液润滑，加之帆布的凹凸面又可形成润滑点，因此摩擦系数比U形V形都小，如图五C 由于双向油压只用一个组合件就可以了，不需背靠背安装两个Y形皮碗（如图四）在缸内占的空间小，还可以简化缸体结构，适用于高压（最高耐压强度为40Mpa／厘米2，行程大的油缸，最大往复速度为1米／秒）。 橡胶密封条： 目前我公司麦盛胶管厂生产的规格品种繁多，广泛用于汽车、火车、飞机、轮船及各种恒温箱、冰箱、隔音室，建筑物的钢窗等，起着防水、防尘、隔绝空气、温气、隔音作用，同时还兼有防震的作用。这些胶条多为压出制品压出的长度要控制为单元长度的整数倍（也就是一个完整部位需要的密封条长度的整数倍），否则就会造成浪费。压出制品的断面应保持所设计的断面形状，复杂断面的制品若不是采用连续硫化工艺，停放时，必须要采用适应于断面形状托盘，否则产生变形，常见的几种密封条，列表如下，表一 密封条的断面尺寸设计，是根据密封时的接触压力，变压方向，以及安装位置的空隙大小而决定的。如图六a，风窗嵌条，一面是嵌玻璃，另一方面是嵌在车身上，上面的凹穴是嵌入比凹穴体积要大一些的硬胶条，两侧的尺寸是由玻璃的厚度及车身凸出的钢板高度中心，凹六的尺坟和挤压嵌条的尺寸与对玻璃和钢板接触压力有关。又如表中a2、d2、c1、c2都是太单薄，接触压力不够，而b1近乎于实心，接触压力太大、开模时费力。 （三）橡胶膜片 这也是我公司经常生产的产品，一般用与不同介质的腔室中，起隔离及传递压力的一种薄膜，在压力较高的任务使用，需要对膜片加织物补强（如尼沦，涤沦）膜片按其形状不同、可分为平面膜（图7）、波纹膜、碟形膜和杯形膜，分别介绍如下： 1. 平面膜与波纹膜：面膜与波纹膜的工作原理基似，只是波纹膜有特制的波纹，有较平面膜有更大的行程，膜片的伸张应力小一些，实际上平面膜在安装时外周边或中孔内周边受到挤压，以及往复伸张过程中所产生的永久变型，也同样会出现波纹，只不过波纹浅而已。平面膜与波纹膜都有无芯膜和有芯膜之分（图7），若是作隔离作用无传力机构，采用无芯膜，有传达室力机构需采用有芯膜，平面膜的工作原理如图8所示，将膜片的外沿固定在筒壁上，内沿固定于硬芯，硬芯与传力机构相连，当平面膜的两边有压差时（p1﹥p2）硬芯由平衡位置（图8）向上移动（图8）移动的距离基本上与压差成正比，若硬芯的直径为D1，而传递压力的直径为DX在平衡位置时，DX=D+（D-D1）／2，传递压力的面积F为F=∏DX2/4=∏D2/4+（∏/4）（D2-D12）/2=∏D2/4+∏（D2-D12）/8当硬芯上移时作用于筒壁的力增加，向作用于硬芯的力减小，此时F﹤∏D2/4+∏（D2-D12）/8，即硬芯与壁间隙胶膜环状面积的力分配于硬芯的量减小。传递力的面积下称之为有效面积，有效面积变化率dF/dx，影响传力机构仪表的转度，在图8可以看出硬芯上升时有效面积减小，而压差减小恢复到平衡位置的过程中（回程），有效面积又逐渐增加，平面膜设计参考实验公式如下： W=W0+PL/EC式中： W：膜片由中心位置移动的最大行程（毫米） W0：松动行程（毫米） P：压力（Mpa/厘米2） E：橡胶的弹性模量（Mpa/厘米2） L：膜片的形状因素 L=S/h S：膜片安装后外露部分的环状面积（厘米2） h：膜片厚度 C：实验系数 取值3.05 2. 碟形膜： 由于平面膜和波纹膜的行程较小，所以发展了更大行程的碟形膜。但碟形膜的有效面积变化较大，后来被有效面积变化小而行程更大的杯形膜所代替，新的碟形膜只是一种过渡性的产品。 3. 杯形膜（也称巴黎帽形膜）： 膜片的结构如图7，这种膜片安装使用时类似一个活塞（如图9），当压力介质进入上腔，在膜片隔离的两边产生压差（P1＞P2），使硬芯下降，由于压差产生的总力同弹簧平衡，压差与硬芯移动的距离成正比，在硬芯上安上付力机构，就可以作为仪表使用，由于膜片尽在有效范围内“滚动”，阻力极微，灵敏度高，而膜片本身承受的力，限于活塞与缸壁之间的环状面积部分，若活塞的半径为r，缸筒的半径为R，杯膜承受的平均伸张应力： ɑ=（P1-P2）∏（R2-r2）/（2*2∏△S（R+r）2）=（P1-P2）（R-r）/（2△S） 式中△S----膜片的厚度 厘米 （P1-P2）----压差 （Mpa/厘米2） ɑ-----膜片伸张应力 （Mpa/厘米2） 但应注意上式是假定膜片始终保持“卷面”状态，膜片平均受力的截面积才是2*2∏△S（R+r）2，若使用超过规定行程范围，将膜片拉直就只有单层膜片受力，此时受力截面积为2∏△S（R+r）/2。为保证膜片不易受冲击而破裂，应按下式选邓最大行程W，以及膜片的高度为h： （2h-W）/W≥0.1 杯形膜片的耐压强度：例 缸筒内半径R=28.6毫米 活塞半径r=26毫米 间隙 R-r=0.26毫米 膜片厚度（△S）=0.25毫米 膜片耐压强度列入下表 各种杯膜承受的压力、爆破强度 在100毫米汞柱差下膜片承受的平均应力ɑ 纯胶杯膜 聚碳胺织物补强 紫酯补强 0.658 0.658 0.658 爆破强度Mpa/厘米² 40 60 70 安全倍数 61 91 107 一般设计，安全倍数取4即可，满足强度要求的原帽下杯膜的厚度应尽量减少，而应力厚度均匀，否则影响仪表的转度，对胶料要求弹性好、滞后损耗小。 （四）胶囊 胶囊是用于胶囊蓄能器的一个主要部件，胶囊蓄能器可用在液压蓄能系统，稳压及传递压力的有效设备。使用范围正大扩大，胶囊按形状不同可分为两在款，如图10a开口式和图10b封闭式，其中开口式，在制造时可以放入模芯硫化，加工较为方便，封闭式只有充气小口，无法放入模芯硫化，胶囊加工难度大，但外壳结构简单、轻便，适合制造中，小型蓄能器，如图10，封闭式根据形状不同又可有三种：一种下面小，上面大，工作时灵敏度高，但容量小，另一种比上述大一些。但各种类型的胶囊的工作原理相同，共同的优点与其它类型蓄能器比较是反应灵敏、阻力小、惯性小、重量轻、体积小、维修方便、操作容易、节约动力消耗。胶囊蓄能器的结构如图11，使用时将胶囊从进出油口装入,并在壳体内充一定时的油(以防胶囊充气鼓破)关闭进油口,在胶囊中充气(惰性气体)充至所需的压力,将气门咀关闭,此时可与油压系统管路接通,打开进出油口阀门,若外压低于内压(最低限度内压)提升阀门自动关闭保持在壳体内一定的油量，外至高于内压提升阀自动打开，在壳体内充油并压缩胶囊（蓄能过程）然后待外压降低时，向系统补充压力油。根据这一原理，胶囊蓄能器可以储蓄液压能，作短期或周期性地供给杯行机构大量的压力油或作急用能源，也可作液压系统的稳压，并可用于行程小，而需长期保持恒定压力的工作机构（如液压夹紧机构，滚筒的压紧装置，橡胶注压机的止扒机构） 常见密封条断面图 胶囊的设计要求： 1、 外形尺寸要比壳体内径小一毫米左右，以防安装时重叠，胶囊的厚度为2毫米，头尾较厚（如图11），便于硫化气门咀相通的有一胶蒂，为防止气门咀被冲击损坏、离层，其它尺寸要视蓄能器的容量要求而定。 2、 胶料性能要求：胶囊胶料根据使用特点，由于压差很小，内压靠壳体承担，强力不是主要指标，查要求耐油，耐屈挠、耐老化。 3、 工艺要求，胶囊胶件，不能含有任何气泡或空隙，接头处更是注意的关键，稍有不慎，存有气泡或空隙，会导致高压惰性气体渗入，一量内压解除（维修气门咀或拆装），就会在气泡或空隙处破裂，不能再用，使用胶浆（接头用）在第二次硫化时要在充分的流动机会，在压力作用下能填满接头界面任何空隙，同进胶浆所形成的胶膜，在长期使用中不能变硬，变脆，影响胶囊的屈挠寿命，胶囊是胶囊蓄能器的主要部件，而具有使用寿命长的特点，除配方设计，结构设计合理外，操作必须认真细政（特别是应急用的蓄能器胶囊正常情况是不用的，只有在发生事故时才用一次）如果失灵，将会造成在的损失。 何氏密封条有限公司荣誉出品！ |
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