现代油封设计指南

现代油封设计指南 摘要 油封是由橡胶制备而成，并广泛应用于各种条件下。它非常经济的对旋转轴提供密封，能够阻挡内部润滑的泄露还能够防止外部污染物的进入。当设计某一特定情况下的油封时有很多方面需要考虑。本文献无法概况所有的设计方面，也不可能将市场上可以获得的规格进行全面分类，而是给读者提供重要的实例和指导并对针对设计者提供功能方面建议。

1 简介 第一眼见到油封感觉它是非常平凡的产品，有着非常简单的功能，也就是保持内部润滑和阻止外部污染物的进入。而制造者和使用者的经验可以充分证明，这个产品有着比它外在表现的更多的科技含量和技巧。这些技术也是非常必要的，因为强制性的功能不会很容易实现了。使用寿命的的提高和使用温度的提高及更多侵蚀性润滑油的使用方面加大了技术的难度。 在系统化研究油封密封基本原理以前对油封的研究就开始了。油封的目标和要求就是要提供物理的障碍密封润滑油。在这种情况下，出现了对轴的大的摩擦和磨损，但这些都看出是正常的。此时最流行的密封材料就是皮革，有时会浸泡些化学材料以提高其性能。随着1930s轴转速的提升现行的密封产品出现了严重缺陷，但是有幸的是发现了合成橡胶材料，并成功的应用在了密封行业，造就了今天这样可以有如此广泛的产品可以选用。 2 密封体系 在通用的静态和动态密封问题中都会有相互影响的各因素，油封也不例外。短期或长期出现的漏油经常是因为油封自身原因或是其他不可预见的外部或是内部作用而引起的。油封密封基本的系统包括密封件、轴、润滑系统、清洁的操作环境。如果轴没有出现偏心，那么油封将静止在壳体内，也不会出现对轴心的偏移。当然这只是一个理想的状况，在理论分析的时候可能会有类似的定义。 但现实的情况并不是如假设的那么理想。即使是轴的粗糙度达到了标准，但是也会有不同的表面状态的存在。轴的圆度公差符合标准，在密封部位也会出现不同的油膜厚度。轴的材料也会起到作用，尽管钢被认为是合适的，但是，钢也有很多的型号，其中铸钢经常被使用。不同的加工特点及导热性能会影响到密封区域的温度。比如，不锈钢的导热系数只有碳钢的60%。 润滑剂是这个基本系统的第三部份。现代的油及润滑脂都含有很多的能够达到功效的添加剂。他们对弹性体的表面甚至作用整体都会有实质性的影响。他们会改变弹性体特别是密封区域的表面结构，从而引起早期的失效。还有另外一个问题是润滑剂的分解也会对弹性体产生有害作用。这些作用很难模拟出来而且在简单的化学试验中也无法放映出来。 尽管有以上这些困难，旋转轴油封还是要发展到更高的可靠性和耐久性。不仅在理想下使用而且还要适应一定程度的安装偏心，振动，压力及外部灰尘的攻击等条件。 旋转轴唇形密封件广泛应用于各种润滑剂的密封。从60年出现后就不断地从基础上不断进行改善，已经消除了很多的不足之处。唇形设计取得突破大概是泵吸辅助设计的发现，这样可以使由于唇口接触失效引起的泄露回流到密封腔内。这些将在以后部分得到讨论。许多的提升也是因为弹性体或是塑料耐热和耐化学性能的发展。 尽管密封件制造商在细节上有一些细微差别，图1代表了均认可的基本的形状。唇形密封的功能来源于它的不对称结构。分析和试验证明安装后的弹性体接触边沿的轴心应力分布也是不对称的。这样的选择也是必须的，对称的结构提供的均衡的作用，所以必须改变均衡使倾向于一边或是另一边。试验也证明密封件在转动后将流体从空气侧流向油侧。所以，密封件和轴的相对运动是流体产生了垂直于轴的特定方向的流体运动。有很多的现象促成，但是在这儿就不讨论了。 有两个方面可以考虑不对称结构： (a) 空气角和油面角α β的不同 (b) 弹簧位置及由此造成的空气侧应力的不同 一般在自由状态下α角为25-30度，β角为40-45度，安装到轴上后唇口的旋转大约10度。早期的设计空气角一般设计的比较小，安装在轴上为12度。这样会造成很宽的磨损，尽管轴的磨损很小。并且也会增加接触面积会增大摩擦损耗。虽然有的角度超出了以上提供的范围，但是，弹性体部分的角度小于90度是不太合适的，会有很多的问题出现。如果接触角度提案小，接触边缘会出现弯曲而不是摩擦。如果接触面积只在空气侧的情况下会发生漏油现象。 图1 正如前面所说，接触面上应力分布的不对称提供了泵吸作用。这样也就要求压力的分布接近油侧边沿。与简单的形式比较，将弹簧设计在空气侧会强化这样的作用的形成。FEA结果表明，如果把弹簧设计在油侧，接触压力就会发生不断变化。弹簧位置的偏移即R值，大约为唇高的10%，唇高定义为唇口的旋转点到唇口接触边沿。太大的R值将会引起唇口失效，导致太小的α角，并且减小了弹簧的效力和唇口的应力分布。 油封其他方面的外形设计也要正确考虑，比如在接触面要有小的磨损，唇口对轴有好的随动性。许多油封生产商都有各规格的简单油封的结构参数设计标准。显然，这是不能统一的，但是还是比较相似的。以下几点都是重要的设计参数，作为一般的指导。 3.1 唇高 H H 值一般在2—5mm，这个数值一般要配合轴径大小。但是，每种唇形尺寸都能用在一定范围的轴径上。唇高越高，越能适应大的偏心量，并能用于设计外的轴径尺寸范围。大轴径要增加唇形尺寸的一个原因就是要增加大的径向力，而大的径向力需要有更多的弹性体和为大弹簧提供更多的空间。 3.2 腰部厚度t 在一些设计中，在安装弹簧之前的腰部有平行部分，也有的没有平行部分。在一般情况下腰厚值t都是在骨架或嵌入物附近的最小部位。为了简化，如果油封安装到轴上，轴的选择就可以选择这个位置。而真实的偏转是更为复杂的，因为这是一个面接触，且是环形应力。腰部的最小位置应该在要高的40%。更高的值应用在有压密封，而低值会有更高的随动性满足轴更大的偏差。

图2 3.3 径向力 在轴安装情况下径向力是个综合力。一部分来自唇的偏转（这一般是径向位移发生在腰高的20%处）一部分来源于弹簧力。这两种力的比例根据设计者的不同而不同，有些设计将弹簧力作为主要部分（达到80%），有些设计则是弹簧处于分离状态。 弹性体的偏移引起的径向力是由两部分组成，唇形的曲挠应力和环形紧箍应力。在小轴径油封中，比如20mm以下，后一项为主，而轴径大于60mm，此项基本可以忽略。因此，设计油封不可能有理想的径向力比如圆周方向上的力均相同。一般原则上，油封尺寸越大，径向力越小。如果允许的话，可以通过弹簧设计或是改变H、t和过盈量等来补偿径向力。

从摩擦力损失的角度来说，径向力越小越好。但是，它还是要达到保证在唇口的接触带有一定的起始磨损并且能够跟随轴的偏心。对于现代设计以及弹性体来说，一般径向力在100-170N/m，这要在安装弹簧24小时后才能测试的。 尽管径向力作为一个控制参数，但是在详细的测试程序中，它还不能作为代表性的参数而存在。一般油封安装在径向力测试仪上10秒后读数。有时这样的延迟会或长或短，要通过供应商和客户协商统一。但是，有些弹性体会有很高的粘弹性，在室温下24小时仍然能够保持的很好。所以，在初期的10秒测试并不是油封的安装初期的实验值。当在热的润滑油中运转时，弹性体会延伸而且可能会变软，这些都会减小径向力。在长时期的高温下，多方面的讲解会发生，径向力也会变大或是变小。在大多数情况下将会减小轴和唇口之间的过盈量。 尽管径向力随着时间和温度而变化，当摩擦系数确定了，在任何试验都会测量出这个参数和真实运转数据比较接近了。比如，将油封在不同温度下，在轴上运转特定时间，径向力测试仪就会给出代表性数值。 3.4 弹簧 除了一些特殊油封设计唇口都是与内部表面接触，唇口是向外的，而所有的弹簧都是封闭的。他们的高应力是通过打开密闭弹簧而形成的起始应力。后一种力是打开 而且也有在加工过程中扭曲的部分力。一些油封设计者还是依靠起初的应力提供应力，这样保证弹簧在设计的位置不会有偏差。 另外一些则是弹簧有10%的拉伸，这样对唇口有拉动作用，并增加了对轴的过盈量。但是，这种方法有可能在设计时增加25%的弹簧起初应力。 整个油封概况起来，弹簧丝直径（大概在0.2-0.6 mm)弹簧内径（大概在1.0-3.5mm）及初始应力都是变化的，弹簧的 比例大概是6：1 ，它可能在尾部会有变化。在腐蚀环境下，如果在碳钢和不锈钢中选择则要选择不锈钢。并且要有尽量少的磷铜含量。如果使用环境高于了120℃，就要有合适的退回工艺了。这样可以使弹簧在使用过程中减少径向力的损失。 4 回油线或密封辅助设计 油封一旦安装好，在没有其他外在变化的情况下，它会继续满足它的使用功能直到密封系统变旧或是退化，这包括轴和油以及油封。在临界安装状况下，从几分钟到小时的时间内密封功能会受到非理想的轴面、非理性的接触边沿等产生敏感反映。会有很多的原因造成早起泄露，这样会产生大量的维修费用也会对供货者的名誉造成损害。 泵吸辅助设计的发现油封向可靠性发展的重要一步。通过其他方面的设计和橡胶材料的使用有了现代动态油封的特征。泵吸辅助大部分的设计主要包括在空气侧回油线的筋骨或凹槽，还有接触面的角度等。（图3）它们在硫化过程中就形成了，或是通过冲模形成锯齿状。当油封安装到轴上后，筋骨融合到接触边沿为润滑油提供了唇口处的回油通道。具体的接触点或是印记，每个设计者都会有不同的观点，但是，一般的形式如图4中所示。筋骨的数量可以最少4根，也可以每1.5mm一根。

图3

图4 回油线的三维特征以及回油通道的有效性主要依靠凹槽的角度及它们的断面形状，通常都是三角形的。但是，角度的位置、排布及三角形的高度都起到很重要的作用。存在矛盾的是，泵吸率的大小很重要，但是，一般漏油的数量趋势很小的。所以，关键的是泵吸的作用能够将泄露的油吸回，而且能够保持磨损不会发生。 在泵吸作用中其关键作用的筋骨的角度在密封接触面上可以选择几度到45度，但在实际情况中一般上限是30度。相同高度和外形的筋骨，其接触角度越小，会有更大的圆周距离，也就是通道的体积就会越大。这样就能保证泄露的流体能够更好的保持住，而且在低落之前就回流了。从流体动力的观点来看，小的角度也是更有效的，在平面的轴承上也有同样的结论。在筋骨的高度方面能够达到回流作用是有限的，一般的范围是0.05-0.13mm。在唇口休整类的油封中，筋骨的高度太高会有问题，因为休整后的筋骨留在了密封唇。如果这些