浮動油封丨淺析浮動油封的密封原理
2017-08-27
浮動油封是一種機械密封方式，一種為了適應惡劣的工作環(huán)境而發(fā)展起來的旋轉動密封裝置。具有端面動態(tài)密封功能的特殊形式的機械密封裝置，維修簡單，密封性能好，使用壽命長，結構簡單的特點，主要是在工程機械以及其他別的機械上應用。例如履帶式液壓起重機、履帶式液壓挖掘機、推土機、攤鋪機等工程機械，以及礦用機械、農(nóng)業(yè)機械、建筑機械等，如挖掘機和履帶起重機的行走減速機、履帶承重輪等。
1 浮動油封的密封原理
浮動油封一般是由一對浮動密封環(huán)（以下簡稱“浮封環(huán)”）、兩個橡膠圈、兩個浮封座等共六部分組成的密封系統(tǒng)（見圖 1），共五處密封要求。浮封環(huán)是一個軸向呈馬鞍形，由鐵合金材料制成的浮動式的端面密封環(huán)。橡膠圈是一軸向截面為圓形而截面直徑較粗的橡膠環(huán)。浮動座是含有一個內(nèi)錐面、起到托住橡膠圈與浮動環(huán)并使兩者在空間保持一定位置的座腔。
浮封環(huán)需成對使用，一個隨旋轉件旋轉（動環(huán)），另一個相對靜止（定環(huán)），在動環(huán)與浮封座之間以及在定環(huán)與浮封座之間的錐面處，各裝入一個具有圓形斷面的橡膠圈，在裝配預緊力作用下橡膠圈在浮封座形成的密封腔內(nèi)受軸向壓縮產(chǎn)生變形。產(chǎn)生垂直于浮封座錐面的彈力 Fb 和垂直浮封環(huán)錐面的彈力 Fc，彈力 Fc 分解為軸向分力 Fca 和徑向分力 Fcr。彈力 Fb 是橡膠圈與浮封座錐面緊密接觸實現(xiàn) b 處密封，彈力 Fc 是橡膠圈與浮封環(huán)錐面緊密接觸實現(xiàn) c 處密封，軸向分力 Fca 使兩浮封環(huán)密封面緊密接觸，實現(xiàn) a 處密封，最終實現(xiàn)整個密封系統(tǒng)的 5 處密封要求（見圖 2）。
浮封環(huán)的密封接觸表面寬度為 0.2～0.3 mm，內(nèi)部的錐形間隙有利于潤滑油進入密封面。潤滑油通過毛細作用、旋轉時的離心作用以及密封腔內(nèi)溫升后內(nèi)壓增大的作用進入密封間隙，形成一層很薄的油膜，從而實現(xiàn)密封、潤滑及冷卻，同時還可避免兩浮封環(huán)接觸端面過度磨損發(fā)熱所引起的橡膠圈老化變形、失去彈性。當浮封環(huán)亮帶磨損時，橡膠圈的彈性還可起到一定的自動補償作用。
2 浮動油封的材料
浮封油封的本身質量問題。浮封環(huán)的材料、硬度、密封面的光潔度、錐面對基準軸的同軸度，橡膠圈的硬度、耐老化性等都將影響浮動油封的密封效果。
浮動油封的安裝問題。如果安裝時不按照正確的步驟和要求進行操作，會導致浮動油封的零部件發(fā)生變形、損傷，使浮動油封失效。如果不按照操作規(guī)程，有可能在安裝過程中進入雜質、毛屑等異物，引起泄漏。
密封端面的接觸比壓不均或者過大。作用在密封端面上的比壓均勻且大小適當，比壓過小降低密封性能，比壓過大又會加劇密封端面的摩擦磨損。
浮封座設計制作加工問題。由于浮動油封必須與浮封座結合在一起，必須能夠嚴密的結合，而浮封座是否能夠跟浮動油封完美的匹配，直接影響著浮動油封的工作性能。所以，必須按廠家提供精準的數(shù)據(jù)或者浮動油封的標準進行制作加工。
潤滑油的問題。潤滑油使用不合適會直接降低浮動油封的使用壽命，會使橡膠圈過早的老化，沒有彈性。潤滑油的清潔度也會影響浮動油封油膜的形成，從而影響浮動油封的密封性能。
使用環(huán)境的影響。工程機械經(jīng)常會在泥沙、粉塵比較大的環(huán)境下作業(yè)，外部的泥沙、粉塵等從兩浮封座間隙侵入內(nèi)部，并板結在浮封座、浮封環(huán)和橡膠圈上。長時間會使橡膠圈擠出，污染物被反復擠壓最終穿透密封進入。
對于這些應用，建議設計增加迷宮或者遮罩保護。
橡膠圈的磨損。橡膠圈容易被泥沙等雜質磨損，引起橡膠圈老化和撕裂，最好的辦法選擇耐磨的橡膠材質，并在浮封環(huán)的外部加以防護。
在安裝浮動油封的時候應該徹底的對浮封座腔體和各種密封件進行清洗，將沾染上的油脂、灰塵以及其他金屬碎屑等殘留物徹底清洗干凈。然后在使用的時候再取出密封件，這樣就能夠防止將表面磨損。
在確認了橡膠圈貼近金屬環(huán)的內(nèi)側之后，安裝上半個浮封環(huán)，浮動油封裝入座孔時，應采用專門工具推入，防止位置偏斜。然后檢查密封件的位置，保證橡膠環(huán)與墻體的平行。沿著密封圓周至少在相隔 90°的 4 個部位檢查密封面至座孔本體表面的高速，其最大高度差應小 1 mm，如果要調整高度，不可直接推拉浮封環(huán)，應使用專用工具進行推壓或上提橡膠圈。
確認安裝合適后，先用干凈的抹布將金屬表面擦拭干凈，然后在表面上涂上一層油膜，目的防止油封安裝后運轉初期密封面間發(fā)生干摩擦。在涂抹油膜時，注意不要涂抹在其他的地方，特別是橡膠圈與浮封環(huán)接觸面上不得有潤滑油。
然后安裝好另一半，將兩側的浮封座孔對正，然后緩慢仔細的將其組裝，注意避免密封面撞擊，否則可能損壞浮動油封。成對裝配的浮封環(huán)，兩外徑之差應小于0.5 mm。
在安裝的時候如果需要更換新的零件，就需要將兩半全部換成新的，不能新舊混用，即使舊的密封件品質仍然很好，也不能繼續(xù)使用。
1 浮動油封的密封原理
浮動油封一般是由一對浮動密封環(huán)（以下簡稱“浮封環(huán)”）、兩個橡膠圈、兩個浮封座等共六部分組成的密封系統(tǒng)（見圖 1），共五處密封要求。浮封環(huán)是一個軸向呈馬鞍形，由鐵合金材料制成的浮動式的端面密封環(huán)。橡膠圈是一軸向截面為圓形而截面直徑較粗的橡膠環(huán)。浮動座是含有一個內(nèi)錐面、起到托住橡膠圈與浮動環(huán)并使兩者在空間保持一定位置的座腔。
浮封環(huán)需成對使用，一個隨旋轉件旋轉（動環(huán)），另一個相對靜止（定環(huán)），在動環(huán)與浮封座之間以及在定環(huán)與浮封座之間的錐面處，各裝入一個具有圓形斷面的橡膠圈，在裝配預緊力作用下橡膠圈在浮封座形成的密封腔內(nèi)受軸向壓縮產(chǎn)生變形。產(chǎn)生垂直于浮封座錐面的彈力 Fb 和垂直浮封環(huán)錐面的彈力 Fc，彈力 Fc 分解為軸向分力 Fca 和徑向分力 Fcr。彈力 Fb 是橡膠圈與浮封座錐面緊密接觸實現(xiàn) b 處密封，彈力 Fc 是橡膠圈與浮封環(huán)錐面緊密接觸實現(xiàn) c 處密封，軸向分力 Fca 使兩浮封環(huán)密封面緊密接觸，實現(xiàn) a 處密封，最終實現(xiàn)整個密封系統(tǒng)的 5 處密封要求（見圖 2）。
浮封環(huán)的密封接觸表面寬度為 0.2～0.3 mm，內(nèi)部的錐形間隙有利于潤滑油進入密封面。潤滑油通過毛細作用、旋轉時的離心作用以及密封腔內(nèi)溫升后內(nèi)壓增大的作用進入密封間隙，形成一層很薄的油膜，從而實現(xiàn)密封、潤滑及冷卻，同時還可避免兩浮封環(huán)接觸端面過度磨損發(fā)熱所引起的橡膠圈老化變形、失去彈性。當浮封環(huán)亮帶磨損時，橡膠圈的彈性還可起到一定的自動補償作用。
2 浮動油封的材料
浮封環(huán)
由于鑄鐵基本組織多為索氏體珠光體或較細片狀珠光體，組織比較疏松，可吸收微量液體，形成含油摩擦面，改善潤滑狀況，并可通過調整其化學成分（尤其是金相組織）來滿足不同的性能要求，故鑄鐵的機械性能和耐磨性均較好，并且鑄鐵具有價格低，加工制造容易導熱系數(shù)大等優(yōu)點，因此浮封環(huán)多采用合金鑄鐵。橡膠圈
橡膠圈所用材料要求具有良好的彈性、低的摩擦系數(shù)、能耐介質的腐蝕、溶解和溶脹、耐老化、在壓縮之后及長期工作中有較小的永久變形、在高溫作用下使用具有不粘著性、低溫下不硬脆而失去彈性、具有一定的強度和抗壓性。因此一般情況下橡膠圈多采用丁腈橡膠，也可以選擇氟橡膠、硅橡膠、氫化丁腈橡膠等。浮動油封的失效分析
浮動油封雖然有著很長的使用壽命，但是也會由于各種原因，會造成浮動油封失效。下面分析一下浮動油封失效的原因。浮封油封的本身質量問題。浮封環(huán)的材料、硬度、密封面的光潔度、錐面對基準軸的同軸度，橡膠圈的硬度、耐老化性等都將影響浮動油封的密封效果。
浮動油封的安裝問題。如果安裝時不按照正確的步驟和要求進行操作，會導致浮動油封的零部件發(fā)生變形、損傷，使浮動油封失效。如果不按照操作規(guī)程，有可能在安裝過程中進入雜質、毛屑等異物，引起泄漏。
密封端面的接觸比壓不均或者過大。作用在密封端面上的比壓均勻且大小適當，比壓過小降低密封性能，比壓過大又會加劇密封端面的摩擦磨損。
浮封座設計制作加工問題。由于浮動油封必須與浮封座結合在一起，必須能夠嚴密的結合，而浮封座是否能夠跟浮動油封完美的匹配，直接影響著浮動油封的工作性能。所以，必須按廠家提供精準的數(shù)據(jù)或者浮動油封的標準進行制作加工。
潤滑油的問題。潤滑油使用不合適會直接降低浮動油封的使用壽命，會使橡膠圈過早的老化，沒有彈性。潤滑油的清潔度也會影響浮動油封油膜的形成，從而影響浮動油封的密封性能。
使用環(huán)境的影響。工程機械經(jīng)常會在泥沙、粉塵比較大的環(huán)境下作業(yè)，外部的泥沙、粉塵等從兩浮封座間隙侵入內(nèi)部，并板結在浮封座、浮封環(huán)和橡膠圈上。長時間會使橡膠圈擠出，污染物被反復擠壓最終穿透密封進入。
對于這些應用，建議設計增加迷宮或者遮罩保護。
橡膠圈的磨損。橡膠圈容易被泥沙等雜質磨損，引起橡膠圈老化和撕裂，最好的辦法選擇耐磨的橡膠材質，并在浮封環(huán)的外部加以防護。
安裝浮動油封注意事項
浮動油封是否正確安裝對其密封性能有很大關系，所以安裝時注意以下幾點。在安裝浮動油封的時候應該徹底的對浮封座腔體和各種密封件進行清洗，將沾染上的油脂、灰塵以及其他金屬碎屑等殘留物徹底清洗干凈。然后在使用的時候再取出密封件，這樣就能夠防止將表面磨損。
在確認了橡膠圈貼近金屬環(huán)的內(nèi)側之后，安裝上半個浮封環(huán)，浮動油封裝入座孔時，應采用專門工具推入，防止位置偏斜。然后檢查密封件的位置，保證橡膠環(huán)與墻體的平行。沿著密封圓周至少在相隔 90°的 4 個部位檢查密封面至座孔本體表面的高速，其最大高度差應小 1 mm，如果要調整高度，不可直接推拉浮封環(huán)，應使用專用工具進行推壓或上提橡膠圈。
確認安裝合適后，先用干凈的抹布將金屬表面擦拭干凈，然后在表面上涂上一層油膜，目的防止油封安裝后運轉初期密封面間發(fā)生干摩擦。在涂抹油膜時，注意不要涂抹在其他的地方，特別是橡膠圈與浮封環(huán)接觸面上不得有潤滑油。
然后安裝好另一半，將兩側的浮封座孔對正，然后緩慢仔細的將其組裝，注意避免密封面撞擊，否則可能損壞浮動油封。成對裝配的浮封環(huán)，兩外徑之差應小于0.5 mm。
在安裝的時候如果需要更換新的零件，就需要將兩半全部換成新的，不能新舊混用，即使舊的密封件品質仍然很好，也不能繼續(xù)使用。
浮動油封的試驗
浮動油封從設計開發(fā)到最終出品要經(jīng)過多次試驗測定和檢驗，可分以下幾個方面。浮封環(huán)性能測試及質量檢驗
對浮封環(huán)的材料選擇及制造工藝進行驗證。通常包括材料成分分析、熱處理組織結構的金相分析、金屬表面洛氏硬度試驗、淬火后有效硬化層深度的測定、磨耗測試、表面粗糙度檢測、同軸度檢驗、背錐面家督檢驗等。橡膠圈性能及質量測試
對選用橡膠圈的性能進行測定，以便對應不同應用環(huán)境選用，并設計合適的壓縮變形，獲得理想的回彈力。通常包括對橡膠邵氏硬度的測試、橡膠拉伸性能的測定、橡膠回彈性的測定、橡膠耐液性能試驗、橡膠熱空氣老化試驗、橡膠常溫和高溫下恒定變形壓縮永久變形的測定、橡膠脆硬性溫度試驗等。密封載荷測試
使用拉力試驗機對指定的浮封環(huán)、橡膠圈、浮封座的組合進行測試，測定其壓縮變形和回彈力的關系。根據(jù)浮封環(huán)密封面的要求密封載荷（接觸比壓）合理設計浮動油封的相關尺寸。靜密封測試
可以采用如圖方法，將成對清潔的浮封環(huán)對合好放在 0 級平臺，底部可加橡膠墊或涂油脂，頂部加上配重的壓環(huán)，倒入適量煤油，要求 10 min 浮封環(huán)面不得有泄漏和滲油。壓環(huán)的質量可參考下表。
