产品结构设计-章5讲解

第五章、密封结构设计5.1概述

5.2静密封结构

5.3动密封结构

5.4特殊密封结构

概述

1.密封结构的功能与种类

密封结构的作用是造成一个相当封闭的空间。对不同的产品，密封的功能和要求不同。

对于依靠封闭实现功能或进行、完成工作的产品，密封结构的主要功能是保证产品可靠工作、实现产品设计功能和效率。如液压、气压系统、发动机、空压机等的密封。通常这类产品对密封的要求较高。对于容纳、储存、传输物料的产品，密封的主要功能是防止泄露。如冰箱门、打印机墨盒、暖气片、输油管道、燃气输送系统等的密封。此类产品的密封要求主要取决于泄露造成的影响程度，泄露影响越大，密封要求越高。

密封的方法很多，可以按密封材料、工艺、结构特征、效果等划分。由于产品的密封结构通常都是在结合面上，通常按密封结构的运动状态，将密封结构划分为静密封和东密封两种。

静密封指在相对静止的结合面上的密封结构。静密封主要用于各种固定连接处，需要以一定的压力密合保持密封效果。静密封又可按具体实施方式与方法分为垫片密封、填料密封、胶密封、螺纹密封、管箍密封、自紧密封等。

动密封指运动接触面间的密封，典型例子就是活塞与缸筒之间的密封。动密封的方法很多，按密封状态可分为接触密封、无接触密封等；按实施方式和结构特点，可分为填料密封、机械密封、动力密封、迷宫密封等。

2.密封结构的材料

可用于密封的材料种类和形式很多，需合理选用。选择密封材料的主要因素包括：产品的特点（如工作温度、接触介质、运动状况等），密封的要求（可靠性、耐久性等），密封方式，维护维修（装拆方便性、互换性、频繁程度等），加工、制造工艺性和成本因素等。

密封材料常用以下几种：

金属：铜垫片、钢垫片（冲压成型，用于发动机缸体等密封），纯铜垫（液压系统的静密封）。

聚四氟乙烯：成型件主要用于重要的阀门等；生料带，用于水暖管、燃气管道接头等螺纹密封。

橡胶：用于水截门、低压无腐蚀管道对接头等密封。

密封圈：有O形圈、V形圈、Y形圈、唇形圈等，由橡胶、聚氨酯等制成，标准化零件，广泛用于液压、气动系统的动、静密封。

毛毡：机械系统油封等。

密封胶：有环氧树脂、酚醛树脂、氯丁胶等，按连接材料和密封要求选用。

1.垫片密封

在密封结合面间夹入金属或非金属垫片，实现密封。垫片密封需要一定的压力施加在垫片上，使垫片变形后充满间隙。垫片密封通常用螺纹紧固件施加预紧力，机械结构上采用法兰形式较简单、有效。

图5-1为常用的法兰连接垫片密封结构形式。其中，图5-1（a）~图5-1（d）的垫片为非金属软垫片，适于设备和管道连接密封，垫片面积大，法兰受力均匀，但需螺栓预紧力大。图5-1（e）采用金属垫，主要用于压力管道连接接头。

机械设备、液压系统等使用的螺纹连接的密塞、管接头也使用垫片密封，如图5-2所示。图5-2（a）~图5-2（c）用非金属软垫片，垫片在紧螺纹时易变形，用于低压场合。图5-2（d）、图5-2（e）用非金属软垫片时，适用于低压，用金属垫片可用于高压场合。图5-2（f）用金属锥形垫片，适用于高压管道，压力可达250MP。

2.填料密封

填料密封使用橡胶等柔软材料，通过挤压变形填充密封间隙。

图5-3为几种填料密封结构。图5-3（a）用于可拆刚性管连接密封，密封位置可调；图5-3（b）与螺纹连接密封联合使用，用于不重要、小管径密封；图5-3（c）允许管道接头轴向伸缩，用于非重要的管道连接密封。

图5-4为两种可用于重要管道连接的填料密封结构，如啤酒、饮料、化工原料生产设备的输送管道等。

3.O形圈密封

O形圈有系列化产品供应，使用方便。O形圈的材料有多种，耐油橡胶材料制品最常见。此外还有聚氨酯、聚四氟乙烯和金属等制成的。

图5-5为非金属O形圈密封常用结构。

图5-6为金属O形圈密封的常用结构。

金属O形圈分为充气式和自紧式两种。充气式为在环内充惰性气体，可增加环内的回弹力，用于高温场合。自紧式是在环的内侧圆周上制有若干小孔，介质进入环内使环具有自紧性，用于高压场合。

金属O形圈密封性能优良，适于高温、高压、高真空和低温等条件。

4.其他密封结构

自紧密封依靠介质压力增加密封性，压力越大，对密封件的作用越大。图5-7为几种自紧密封结构。

如图5-8所示，螺纹连接密封一般需在螺纹处放置密封胶、麻线或聚四氟乙烯生料带等提高密封效果，常用于水暖管件连接。

研合面密封指依靠结合面精密研配消除间隙，再通过螺栓等施加压力形成密封的结构，如图5-9所示，常用于不能用垫片密封的场合。

1.毛毡密封

毛毡密封主要用于伸出的机械旋转转轴轴承盖内、滑动部件与导轨接合的裸露端部等，起保护作用。

毛毡密封结构简单，成本低，但容易脏污失效，不适于高速场合。

图5-10为毛毡密封用于轴承盖的几种结构。

2.唇形圈密封

唇形圈因截面形状呈纯状而得名。如图5-11所示，一般唇形圈都带有金属骨架和螺旋弹簧，起自紧作用。唇形圈为系列化产品，有各种截面和结构形式，尺寸系列可在设计手册中查到，图5-11为常见的唇形圈类型。唇形圈主要用于旋转轴的密封，特别是机械内采用液体油脂方式润滑的场合，密封效果好，俗称油封。

图5-12为唇形圈安装时的要求，根据具体使用场合，条件可以有变化。

图5-13为几个唇形圈使用图例。

3.成型圈密封

成型圈密封外观上与唇形圈相似，但一般没有骨架且用途与唇形圈大小不相同。图5-14为常见成型密封圈的结构类型，一般成型密封圈按其截面形状命名，如V形圈、Y形圈、U 形圈、L形圈等。

成型密封圈常用材料为合成橡胶、夹布橡胶、合成塑料等，也可用皮革、铝、铜、不锈钢制作，一般采用模压成型，塑料、金属制密封圈也可以采用机加工成型。

成型密封圈主要用于液压缸、气缸等的活塞杆、活塞的动密封，分别用于密封轴和孔。可单个使用，也可成组使用，结构简单、摩擦阻力小。成型密封圈内、外径尺寸有一定余量，安装后产生一定变形，并可借助介质的压力形成自紧密封。轴用和孔用成型密封圈的安装结构有所不同，图5-15为采用V形圈密封活塞杆的典型结构，图5-16为采用V形圈密封活塞的典型结构。

图5-17~图5-19分别为U形圈、L形圈、J形圈用于液压缸活塞或活塞杆密封的典型应用结构。

4.非接触密封

浮动环密封是利用特殊结构形成油膜阻隔区实现气箱隔离，主要用于压缩机的轴密封，图5-20为浮动环密封的工作原理示意图。

离心密封是利用转子高速旋转时带动液体产生的离心力将液体甩出从而形成阻隔区，达到密封目的。图5-21为三种不同结构形式的离心密封。

干气密封式在密封面间利用空气形成一特殊的阻隔区，达到密封目的，主要用于旋转式空压机的轴封，图5-22为干气密封的工作原理。

产品的密封要求服务于其功能需要，特殊用途的产品有特殊的密封要求。下面结合特定需要和产品介绍几种密封结构。

图5-23的结构称为铁磁流体密封。铁磁性超细微粒在低挥发度的液体中构成稳定的胶体溶液，即铁磁流体。铁磁流体在密封间隙中受磁场作用，形成强韧的液体膜，阻止泄漏。铁磁流体为液体，对旋转轴无摩擦。铁磁流体密封用于高速、高真空等密封场合。

图5-24为三种特殊的管道密封结构。图5-24（a）结构简单、密封可靠，适用于快速装拆场合使用；图5-24（b）通过螺母和锥面将连接管扩口连于锥面，适于液压系统等薄壁金属管连接；图5-24（c）用球头管套实现管子连接，允许两管不同轴线的连接及连接位置相对偏移。

图5-25为高压容器密封的几种结构。图5-25（a简单，使用压力20~50MPa；图5-25（b）度要求不高，预紧力小，具有自紧密封作用，使用压力200MPa；图5-25（c简单，有自紧密封作用，装拆方便。

图5-26的药瓶，内口用铝箔复合纸用高频热封方法粘合密封，瓶盖开设方便启闭口，用环状弹性结构密封。

图5-27为两种常见的装液体金属罐。

阀门的典型结构如图5-28所示，阀门闭合状态时，依靠弹簧压力闭合液体通道，此时的密封元件为阀杆肩部软垫片。