工程机械液压系统用成型填料密封的结构特点与应用

工程机械液压系统用成型填料密封的结构特点与应用
1.1 功用与要求
在工程机械用液压元件及液压系统中，密封装置用来防止液 压油的泄漏及外界灰尘、异
物的侵入，以保证液压元件和液压系 统建立起必要的压力、提供充足的流量，使其能够正常地
工作。
密封装置应能满足以下几点要求：在一定的压力、温度范围 内具有良好的密封性能；与
运动件之间的摩擦力小，摩擦系数稳 定；抗腐蚀能力强，不易老化，工作寿命长，耐磨性好且
磨损后密封性能在一定程度上能自动补偿；结构简单，价格便宜，使用 与维护方便。
1.2 种类和特点
工程机械用液压元件和液压系统中使用的密封装置种类很多，如垫密封、机械密封、油
封 密封、胀圈密封、防尘密封和成型填料密封等。其中应用最多的 是成型填料密封，它既可以
用于静密封，也可用于动密封，但用 于动密封居多。
工程机械用液压元件和液压系统中，常用的成型填料密封及 其特点见表1。

2 成型填料密封
成型填料密封泛指用橡胶、塑料、皮革和金属材料经模压或 机加工成型的环状密封圈，
其中应用最多的是橡胶密封圈。成型 填料密封中的填料，是依靠机械压紧力或介质压力作用下
产生的
弹性变形而阻断流体泄漏通道的。其结构简单，密封效果好，品种规格多。按工作特性
成型填料 密封分为挤压型和唇形两类；按形状又可分为O形、V形、U形、Ｌ形、Ｊ形和Ｙ形
等。
2.1 O形密封圈
O形密封圈简称O形圈、工程机械用液压元件及液压系统中 最常用的是橡胶O形圈。
它成本低廉，密封性好，使用范围宽。例 如，工作压力以1.333×10-5到400MPa，温度从-60℃
到200℃。
实践证明，O形橡胶圈有如下优点：密封部位结构简单，安装部 位紧凑，质量轻；有
自封作用，往往只用一个密封件便能完成密 封；密封效果好——用于静密封时几乎可以实现“零
泄漏”，用于往复运动密封时其密封性能不变、介质泄漏量甚少；运动阻力很小，对压力交变的
工作条件适应性好；O形密封圈尺寸及安装 沟槽（形状、尺寸、技术要求等）已标准化，便于
采购、安装和维修。
O形橡胶圈密封机理，如图1所示。

a)—平垫片工作时接触应力分布;b)—O形图初始接触应力;c)—密封面上的接触应力变
化图a是平垫圈工作时的接触压力均匀分布，若介质内压Pi大于接触压力，则有可能发生泄漏。
而O形橡胶圈的初始接触压
力是非均布的（图b），工作时在内压作用下O形橡胶圈沿作用力方向移动，并改变截
面形状，密封面上的接触压力也相应变化 (图C)，其最大值Pmax大于介质内压，所以不发生泄
漏。这种借助于介质本身压力来改变O形橡胶圈接触状态，使之实现密封的过程，称为“自封作
用”。实践证 明，自封作用对防止泄漏是十分有效的。因此，在安装O形橡胶圈时应使其有一
定的压缩变形。
但应注意的是，O形橡胶圈的自封作用是有限度的。当内压过高 时，会出现O形橡胶圈
的“胶料挤出”（橡胶嵌 入缝隙中）现象。此时虽然O形橡胶圈仍能维持密封，但实际已经损坏。
制做O形密封圈的橡胶材料有许多种，它们适用于不同的 工作条件(见表2)。因此在实
际应用中，应根据使用条件选择合适橡胶材料制做的O形密封圈。

2.2 V形密封圈
V形密封圈是一种唇形密封圈，多用于往复运动的活塞或活 塞杆的密封。V形密封圈多
数情况下与压环、支撑环组合使用(见图2)，压环和支撑环一般用较硬的胶布压制，中间的V形
圈用丁腈橡胶压制。这种组合式的V 形密封圈能提供很高的稳定性和较好的耐磨、耐压性。

在自由状态下，V形圈的唇部外径大于填料腔的内径，唇口 的内径小于活塞杆的外径（图
a），这样装配后便产生一定的变形。由于支撑环的作用，这种变形只发生在唇口部位，并与其
接 触部位产生压力，即使不施加压紧力，唇口也能封住一定的内 压，此即唇口的自封作用。介
质的内压使唇口改变接触状态并加大接触应力，使唇部与活塞杆贴合得更紧密，因此阻止了介质
泄 漏。由此可见，V形密封圈的密封机理是唇部的自封作用和填料 的密封作用的组合。
V形密封圈的V形圈数量取决于密封压力的大小，即压力高 时使用的V形圈多。但是，
使用的V形圈多时摩擦阻力增大，唇 口磨损也加大。因此，在实际使用中最好通过调整压力环
的压紧力，使V形圈的唇部与活塞 、油缸或活塞杆的表面保持密切接触，达到防止泄漏、良好
密封的目的。
与其他结构型式的成型填料密封比较，V形密封圈有如下优点：
1)使用范围广。V形密封圈适用于液压油、润滑油、水和乳化液等介质，零件线速度可
达0.5m/s，使用温度在-30～200 ℃，压力可达40MPa。
2)允许一定的偏心载荷和偏心运动，耐冲击压力和振动压力。
3)可以多圈重叠使用，并通过调节压紧力来获得最佳密封效 果。
2.3 Y形密封圈
Y形密封圈是为液压系统中的活塞、柱塞和活塞杆的密封而设计的，其橡胶圈由高硬度
的丁 腈橡胶模压而成，工作唇部较宽，因此密封性好。
Y形密封圈主要依靠其唇部的自封作用来实现密封，亦即为 获得初始密封，装入沟槽中
的Y形密封圈有一定的预紧力。在介 质压力作用下，由于密封唇圆周方向的变形，产生接触压
力。随
着介质压力的增加，变形和接触压力随之增大，Y形密封圈达到 自封的效果。
Y形密封圈的密封机理，如图3所示。

a)—没压力;b)—开始接触;c)—有压力变大;d)—达到工作压力
无内压时仅仅因密封唇端部（唇尖）的变形而产生很小的接 触压力（图b），当内压作
用后与介质接触的密封唇每一点上均作 用有与内压相等的法向压力，所以密封圈底部将受到轴
向压缩,而唇部受到周向压缩。唇部与缸壁接触而变宽，同时接触压力增 大（图C）。当内压进
一步升高时，接触压力的分布形式和大小继续 改变，唇部与缸壁贴合更紧密，所以密封性更好。

Y形密封圈正常工作时也有极少量流动介质泄漏，这是由于 活塞运动时油膜积聚造成
的。但是，活塞在往复行程中的泄漏情 况是不同的。例如，当内压较低时，抽出行程中的泄漏
量随内压增加而增大；相反，压入行程中则随内压增大而减小。当内压足够大时泄漏量不再随内
压而变化，低压侧的压力上升到接近高 压侧时泄漏量接近常数。此外，Y形密封圈的泄漏与活
塞往复运 动速度有一定的关系。例如，当活塞往复运动速度加大时泄漏量增加，这是因为随着
活塞运动速度加快，活塞往复次数增多，油 膜的流体动力作用使油膜厚度增加，形成了油膜的
快速积聚作 用。应指出的是，当流动介质的粘度越大，油膜厚度的增加越大，因此活塞往复运
动速度所造成的泄漏量也越大。
2.4 J形和L形密封圈
J形和L形密封圈都是用于工作压力不大于1MPa的气压或 液压机械设备的密封，它们
的结构分别如图4、图5所示。

J形密封圈多用于活塞杆密封，而L形密封圈多用活塞密封。 现以L形密封为例，其密封作用
的实现，与上述O形、V形、Y 形密封圈基本相同，即以自封作用阻止流动介质的泄漏。但对
于低压、大直径的汽缸，常因为间隙较大、唇部的张开余量少而使 得接触压力不足，不能正常
密封。因此，保证唇部的正常张开， 以形成必要的初始接触压力是十分必要的。所以对大尺寸
的L形密封圈，在其唇部内侧加装弹簧圈。
L形密封圈的摩擦通常是不大的，但安装压得过紧时会使摩 擦变得很大。因为这种密封
圈需要用一块压板从中心把它压紧， 由于橡胶的致密性（要保持体积不变），所以压得越紧时
底部变得越薄，这样底部便向外扩展，使唇根与缸壁的接触压力增大， 这种现象会造成密封圈
早期磨损和泄漏。这种倾向对易拉伸变形 的橡胶圈最为显著，特别是在高压下长行程、高速运
动的L形密封圈最容易发生。为此，L形密封圈应采用硬橡胶或夹织物橡胶 的密封圈。
工程机械液压系统用成型填料密封还有鼓形和山形密封圈、管路法兰用U形密封等，限
于篇幅,不再赘述