油封的设计与开发

油封的设计与开发

油封结构设计的主要根据是使用条件、装配条件和环境条件。设计中应考虑密封性能、使用寿命、材料、制造工艺和经济性等因素。进行油封的设计时，首先要选择合适的油封材料，所用的胶料配方要能提供一个合理的综合性能，可以满足耐温、耐油、耐磨和工艺性能良好的要求。

油封的使用参数和设计参数

在结构设计中使用参数和设计参数应该相适应。设计参数和使用参数的关系

可用表1来说明。

表1 设计参数和使用参数之间的关系

在进行油封结构设计时要考虑下图结构参数。

(1)唇部过盈量（d-d1）

如果过盈量大，造成唇口过分伸张，容易老化、磨损，缩短使用寿命。如果过盈量小，则密封性能不好。因为过盈量与整个唇部径向力有关，所以应综合考

虑。表2所示的过盈量数值仅供参考。

表2 不同轴径的过盈量

(2)弹簧位置“R”值

该数值在设计上是个理论接触宽度。“R”值大，接触宽度大，摩擦也大。

“R”值小，不利于密封。表3中的弹簧位置“R”值可供参考。

表3 不同轴径的"R"值

(3)腰部长度

腰部长度提供的径向力约为油封唇部径向力的50%，它对于保持一个低数值的径向力是重要的，要达到此目的的一个方法就是延长油封腰部的长度。但是一般油封外径长度已经标准化，即使未标准化的装配空间也限定了这个宽度，因此，腰部的直线长度被限制，通过腰部直线部分导出一个曲线的弯曲截面可以解决这个问题。

(4)腰部截面厚度

实验中发现，即使在低压情况下也容易造成图 (A)的变形，而单纯加厚腰部又不利于唇口的跟随能力。腰部增厚减弱了弹簧的作用，不如薄腰对偏心的跟随能力好。为解决腰部变形和跟随能力的矛盾，建议将腰部改为图 (B)的形状。这样既加强了腰部的刚性又不致于影响对偏心度的跟随能力。

(5) 头顶面长度

在有些油封结构断面图形中把头部顶面长度(t)设计成与弹簧槽半径(r)相等，但在使用中经常发现弹簧自行脱落的现象。为了避免弹簧脱落，设计时要使t大于r，至少要满足下列关系：t= 4/3 r。

(6)弹簧槽的形状

许多油封在弹簧槽的设计上都出现过一个误区，将弹簧槽半径(R)和弹簧圆半径(r)设计成不同数值，实验验证发现有的油封唇上有两个接触带。因此，当R=r时唇口应力分布状态最好，只有一个接触带。但是往往由于模具加工、胶料收缩等原因，在制造上很难做到两者绝对相等，只能维持两者相差不大。

(7)金属骨架的设计

金属骨架的主要功用是加强油封的结构刚性。其厚度和配置方法视油封的工作条件和装配条件而定。

(8)弹簧圈

油封中所用的弹簧有两种类型，即吊带式弹簧和板弹簧。两种弹簧中以吊带式弹簧应用最为普遍。弹簧的直径、展开长度、钢丝直径缠绕圈数计算，可参考有关标准和机械设计手册。

(9)径向力

径向力是个极为重要的参数，它对油封的使用性能的作用概括如下：

1 径向力太小时，密封性能不好；2径向力太大时，产生磨耗，缩短使用寿命；3径向力直接影响接触区域的摩擦及温度，径向力过大时，摩擦生热大，加速唇口老化；4轴的磨损也受径向力的影响；5轴与壳体偏心时，要采取相应的径向力以保证唇口有合适的跟随能力；6径向力限制了介质的使用压力，如介质压力过大，则径向力再增大会使油封寿命缩短。

油封材料

目前油封的制造材料以合成橡胶为主体，由于其选择和结构设计都是左右油封密封性能和使用寿命的主要因素，因此，正确掌握橡胶的性能以适当地选择所用的橡胶材料非常重要。到底选择哪种橡胶作为油封材料最合适？这应根据油封的关联参数来决定，即：对轴的径向力应高到足以防止油封泄漏，低到能维持一定的油膜厚度以保持低的摩擦热；油封应该具有足够的过盈量，以克服使用中的偏心度影响；唇部在接触区的面积也是决定因素之一。

油封材料直接影响上述三个参数，因为材料随时间和温度而变化，各个关键

参数也随着变化，比如：随温度增加、材料的模量降低、使径向力发生变化。热膨胀、密封介质所造成的材料溶胀、胶料的软硬度等均影响径向力和过盈量。

基于上述原因，在选择油封材料时要考虑如下特性：与密封介质相容，不因密封介质发生溶胀、硬化等现象；具有良好的耐热性、耐磨性；具有适度的弹性，能适应轴的粗糙度和偏心度变化。

由于橡胶材料的配方变化很多，新材料不断出现，现有材料也不断得到改进。以下仅对制造油封最常用的丁腈橡胶、聚丙酸酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶和聚四氟乙烯进行简要说明。

丁腈橡胶

在密封件的制造材料中，丁腈橡胶的用量可能要大于其它弹性体的总和。丁腈橡胶的化学成份为丁二烯和丙烯的共聚物，丙烯含量在18%~40%之间，分为“低”、“中”、“高”丙烯含量的丁腈橡胶。丁腈橡胶的耐油性，随丙烯含量增加而提高，但同时低温曲挠性却随之下降。为了获得良好的低温性能，常常要牺牲一些耐高温燃料和油类的性能。丁腈橡胶具有良好物理性能，其耐冷流、抗撕裂和耐磨性比其它大部分橡胶都好，但是不耐臭氧、天候和日光，这方面的性能可以通过配方设计进行改进。丁腈橡胶适用于石油基油、燃料油、水、硅油和硅酯以及乙二醇的混合物。但不适于与EP油、卤化碳氢化合物、硝基碳化物、磷酸酯流体、酮类或强酸及某些汽车刹车油等接触。

聚丙烯酸酯橡胶

聚丙烯酸酯（ACM）橡胶为丙烯酸烷基酯为主体与其他不饱和单体的乳液共浆物。通常采用的丙烯酸烷基酯是乙烯乙酯和丙烯酸丁酯。聚丙烯酸酯橡胶的性能介于丁腈橡胶和氟橡胶之间。由于其分子主链上不含有双键，使其具有较高的耐热、耐臭氧和天候的性能。侧链上含氯（Cl）或(CM)的官能基团，又使其具有优异的耐油性，可在170℃～180℃的热油中使用。该胶的主要特点之一是在178℃条件下耐矿物油，双曲线油和黄油性能好。耐老化和弯曲龟裂性也很好，适于做油封材料。该胶的主要缺点是加工性能差，混炼时粘辊，低温性能不太好，不耐水及蒸汽，对乙二醇和高芳香族油类等的抗耐性差，压缩永久变形大，对金属模具和轴腐蚀较厉害。弹性、耐磨及电绝缘性较差。此外，由于它的高度饱和硫化速度较慢。其耐磨性通过适当的配方可显著改善，但仍比不上丁腈橡胶。

硅橡胶

硅橡胶在比较广泛的温度范围内能够保持其机械性能，在-65℃仍能保持柔性，同时能在230℃下长时间工作。尽管硅橡胶的机械性能可以通过特殊配合使其得到提高，但它的强力、抗撕裂和耐磨性基本上还是较差的。耐碱、弱酸和臭氧的性能一般良好；但耐油性中等。化学性能可以用配合剂进行改进，例如通过配合剂使其具有较好的耐油性和耐燃料性。但是一般来说，硅橡胶不宜用于碳氢化合物，例如汽油、石蜡、轻质矿物油，在上述介质中会引起硅橡胶膨胀和软化。

硅橡胶的主要优点是，它在很低的温度下仍能保持弹性。而且能长时间在高温下不硬化，因此与其它橡胶相比，能在更广泛的范围内用于高温和低温密封件。用作旋转密封件，其使用温度高于普通橡胶。但硅橡胶的价格比其它大多数橡胶都高。

氟硅橡胶是价格更高的一种橡胶。工作性能基本与硅橡胶相同，但是使用范围较窄。氟硅橡胶的主要优点是耐油性好，可以与丁腈橡胶相媲美或者是接近丁腈橡胶。所以它既能在丁腈橡胶的使用温度极限以外使用，同时又具有硅橡胶所缺乏的耐油性。

氟橡胶

氟橡胶是主链或侧链碳原子上含有氟原子的饱和聚合物，具有独特的优异性能。它的特点是耐高温、耐油、强腐蚀、耐溶剂、耐天候老化、耐臭氧、透气性低、物理性能良好，可在200℃～250℃下连续工作。其缺点是低温性能不太好，压缩永久变形大，为改善氟橡胶的压缩永久变形，国内外曾做过不少研究工作。

聚四氟乙烯

塑料往往都是半刚性材料，一般不用作密封件。只有聚四氟乙烯例外，它是一种具有独特性能的碳氟化合物，最显著的特点是耐化学浸蚀使用温度范围；与金属接触的摩擦系数低，但是如果不进行填充补强，它的机械强度却不高。聚四氟乙烯一个很有用的方面是作复合结构的密封件，例如，可用机械加工的或模压的聚四氟乙烯作为低摩擦表面和耐化学腐蚀的包覆表面。

油封材料的性能

油封材料的工作温度

工作温度是影响油封使用寿命的一个极为重要的因素，几种常用的油封材料的工作温度如表4。

表4 常用油封材料的工作温度

低温条件下的性能变化与高温条件下的性能变化差别很大。随温度的降低几乎所有的弹性体材料都会随屈挠性的丧失逐渐变硬，变形恢复速度变慢。同时，还会使材料出现一定的结晶，但结晶速度很慢，当其没有接近脆化点以前，如果没有可供替换的弹性体材料，可以通过弹簧力来提供必须的回弹性。在高温下，所有弹性体都会丧失弹力，并有变软的倾向。高温也会加速材料的老化，通常是以弹性丧失和硬度、模量逐渐增加的形式发生的。

油封材料的耐磨性

材料的耐磨性对油封来说是一个重要的指标。橡胶的耐磨性与它的硬度、抗撕裂性有关，一般随硬度增加耐磨性得到改进，抗撕性能好，耐磨性也好。此外，材料的耐磨性能还与材料的摩擦系数，配合表面的光度等因素有关。

与密封介质的相容性

随着材料对液体介质的吸收而发生体积变化，过度的膨胀会使材料的物理机械性能下降而不合格。而且过度的膨胀还能引起一定的化学作用，如溶解，或者引起材料本身某些组分的相互反应，或者使表面脆化而导致龟裂。在这种情况下密封介质和材料就是不相容的。在某些情况下密封介质还有可能将胶料内的增塑剂、防老剂等配合剂抽出，这样就会改变弹性体的组成，甚至导致其收缩，引起泄漏。油封材料与某些介质的相容性可参考表5。

表5 油封材料的相容性

综上所述可见，油封的结构设计相当重要，即使油封材料很好，如果其结构设计不合理，仍然不能获得有效的密封。遗憾的是，在油封结构设计方面，至今还没有一个实用的设计原则，结构参数最优化尚有一定的局限性。而在油封材料方面，虽然各个公司都有自家的材料标准，但是用于油封材料的关键性指标远不如“O”形圈那样明确具体。因此，就油封研究领域而论，还有很多尚待解决的问题。