橡胶密封技术知识

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成型填料密封泛指用橡胶、塑料、皮革及金属材料经模压或车削加工成型的环状密封圈。

成型填料按工作特性分为挤压型密封圈和唇形密封圈两类;按材料可分为橡胶类、塑料类、皮革类和金属类。各种材料的挤压型密封圈中橡胶挤压型密封圈应用最广,其中O形圈历史最悠久,最典型。唇形密封圈的类型很多,有V形、U形、L形、J形和Y形等。

5.1 O型密封圈

O型密封圈简称O型圈,开始出现在19世纪中叶,当时用它作蒸汽机汽缸的密封元件

O型橡胶密封圈有如下的优点:

1)密封部位结构简单,安装部位紧凑,重量较轻;

2)有自密封作用,往往只用 一个密封件便能完成密封;

3)密封性能较好,用作静密封时几乎可以做到没有泄露;

4)运动摩擦阻力很小,对于压力交变的场合也能适应;

5)尺寸和沟槽已标准化,成本低,便于使用和外购。

5.2 V型密封圈

V型密封圈为一种唇形密封圈,是使用最早使用最多的成型填料之一。它主要用于往复运动,作活塞或活塞杆的密封。很少用于转动中或作静密封

V形密封圈有下列特点:

1)密封性能良好;

2)允许一定的偏心载荷、和偏心运动;

3)可以多圈重叠使用,并通过调节压紧力来获得最大密封效果;

4)耐冲击压力和振动压力;

5)当填料不能从轴向装入时,可以开切口使用,只要安装时将切口互相错开,不影响密封效果。其缺点是摩擦阻力较其他成型填料的大。

5.3 Y型密封圈

活塞密封用的U形和Y形密封圈在形状上略有不同,U形圈的唇长,底部与唇部同厚度或略大于唇部厚度。Y形圈的纯短,底部厚,这是为了克服U形圈常常不能稳定安放而设计的,同时可增大唇的强度,以免唇根部被撕裂。

5.4 鼓形和山形密封圈的结构

5.4.1 鼓形密封圈的结构

鼓形密封圈又称活塞密封圈,它是为单向和双向工作的活塞而设计的。密封圈的截面、衬套或挡环的结构与活塞的设计有很大关系。由于有各种性能的要求,所以鼓形密封圈的结构也不可能是一致的。

5.5 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。J形密封圈的是用于活塞杆密封。

油封防尘密封

6.1 油封

油封,即润滑油的密封。它常用于各种机械的轴承处,特别是滚动轴承部位。其功能在于把油腔和外界隔离,对内封油,对外封尘。

油封与其他密封比较有下列优点:

1)油封重量轻,耗材少。

2)油封的安装位置小,轴向尺寸小,容易加工。

3)密封性能好,使用寿命较长,对机器的振动和主轴的偏心都有一定的适应性。

4)拆卸容易,检修方便。

5)价格便宜。

6.2 防尘密封

油封可作防尘密封的件使用。但是在粉尘严重或是为了保护其他密封件时,常常使用专门的防尘密封。
防尘密封的材料,油压机械多用橡胶,气压机械多用毛毡,飞机和寒带工作的油缸为了对付活塞杆外部结冰而用金属,化工部门为防止活塞杆上的粘着物也用金属。

防尘密封对保护关键性的液压设备是十分重要的。渗入尘土,不仅磨损密封件,而且会大大的磨损导向套和活塞杆。此外,杂质进入液压介质中,也会影响操作阀和泵的功能,在最坏的情况下,也可能损坏这些装置。防尘圈能除掉活塞杆表面上的尘土和杂物,但损坏活塞杆上的油膜,这对密封件的润滑也有一定作用。

磁流体密封

7.1 磁流体

7.1.1 磁流体的组成

1995年由美国帕佩尔(Papell)发明的磁性流体,是把磁铁矿等强磁性的微细粉末(约100Å)在水、油类、酯类、醚类等液体中进行稳定分散的一种胶态液体。这种液体具有在通常离心力和磁场作用下,既不沉降和凝聚又能使其本身承受磁性,可以被磁铁所吸引的特性。
磁流体由3种主要成分组成:

1)固体铁磁体微粒(Fe3O4);

2)包覆着微粒并阻止其相互凝聚的表面活性剂(稳定剂);

3)载液(溶媒)。

7.1.2 磁流体的特性

磁流体是一种叫胶体溶液。作为密封用的磁流体,其性能要求是:稳定性好,不凝聚、不沉淀、不分解;饱和磁化强度高;起始磁导率大;粘度和饱和蒸气低,其他如凝固点、沸点、导热率、比热和表面张力等也有一定的要求。

影响磁流体稳定的主要因素有:微粒力度大小、表面活性剂和载液以及它们的合理配比。稳定性是磁流体各种特性存在的前提。

7.2 磁流体密封的工作原理

圆环形永久磁铁,极靴和转轴所构成的磁性回路,在磁铁产生的磁场作用下,把放置在轴与极靴顶端缝隙间的磁流体加以集中,使其形成一个所谓的“O”形环,将缝隙通道堵死而达到密封的目的。这种密封方式可用于转轴是磁性体和转轴是非磁性体两种场合。前者磁束集中于间隙处并贯穿转轴而构成磁路,而后者磁束比不通过转轴,只是通过密封间隙中的磁流体而构成磁路。

7.2.3 极限条件

磁流体密封在工作时会受到下列条件的限制:

1)蒸发。磁流体由磁性微粒、表面活性剂和载液3部分组成,载液的蒸发是决定密封极限旋转频率和使用寿命的主要因素。因为密封是靠有限的磁流体工作的。为此,应选用蒸汽压低的载液,使蒸发损失为最小值。

2)温升。温度升高会导致磁铁退磁和磁流体的蒸发。因为温度升高,粘度降低,功率消耗也就降低,这是有利的一面。但是温度的、升高,磁饱和强度下降,也可能使密封的耐压能力有些下降,因此,磁流体温度一般不应高于105℃,否则应采用冷却措施。

3)极限真空度。磁流体密封极限真空度取决于载液的挥发度,用二脂润滑剂作成的载液可满足1.333×10-7Pa超高真空技术的要求。

4)周速。一般磁流体密封适用于高周速30m/s以上的运转,无极限标志。但考虑到温度和散热,周速应限制在60~80m/s,此时还要考虑极限耐压能力。

八 高压密封

高压密封的型式很多,按其工作原理分为强制密封和自紧密封两类。强制密封是依靠联接件(螺栓)的预紧力来保证压力容器的顶盖、密封元件和圆筒体端部之间具有一定的接触压力,以达到密封的目的。自紧密封是随着压力容器内的操作压力增加,密封元件与顶盖、圆筒体端部之间的接触压力也随之增加,由此实现密封作用。自紧密封的特点是压力越高,密封元件在接触面的压紧力就 越大,密封性能也就越好,操作条件波动时,密封仍然可靠。但是结构比较复杂,制造较困难。自紧密封按密封元件变形方式还可以分为轴向自紧密封和径向自紧密封。

按密封材料性能,高压密封又可分为使密封元件产生塑性变形的塑性密封,使密封元件产生弹性变形的弹性密封。

目前,压力容器常用的密封型式有如下几种:

1)强制密封有平垫密封,卡扎里密封和八角垫密封;

2)半自紧密封有双锥密封;

3)自紧密封有楔形密封,五德密封,空心金属O形环密封,C形环密封,B形环密封,三角垫密封,八角垫密封,平垫自紧密封及橡胶O形圈密封等。

九 真空密封

真空联机密封性能取决于联接处的泄露和真空材料的放气。对任何真空系统总希望漏、放气量与密封形式、密封材料、加工精度及装配质量等诸多因素有关,故在联接处总会存在一定的漏、放气量,因此可根据真空系统工作的性质,真空室工作工作应力的高低及其出口处抽气速度的大小提出要求。

真空系统中的压力在高于10-5Pa真空范围内广泛使用合成橡胶、环氧树脂和塑料。当真空度提到压力10-7Pa的真空范围时,这些密封材料就不能用了,需要应用超高真空的密封材料如金或铜作垫圈,而真空壳体不能用软刚需要改用不锈钢。

超真空气体内的气体状态是动态平衡状态。系统内的压力极限,一方面与泵的有效抽速有关,另一方面与来自真空壳体及其内部的零部件的气流量有关。因虽有系统的有效抽速由于泵有结构尺寸和费用的原因,总存在实际限制。所以,减少气流量就成为达到超高真空状态的基本设计目标,成为选择超高真空材料的主要准则。

作为真空系统内部用的材料,要求饱和蒸汽压低,为了减少慢性解吸和体出气,要求能耐450℃高温烘烤,而不降低机械强度和不发生化学和物理损伤。作为真空系统壳体材料,要求能忽略气体渗透,承受得住大气压的压力,烘烤期间耐空气侵蚀和不发生漏气。此外,要求选用材料,加工制作容易,价廉易得。

对于真空度低于10-7Pa的超高真空,虽然天然和合成橡胶是理想的密封圈材料,弹性好,装配成真空密封后法兰螺栓受力很小,而且可以多次重复使用。但由于超高真空系统要求密封圈材料耐250℃烘烤,实际上可可供选用的几种橡胶材料都不能满足要求。真空度更高(即压力更低)的超高真空,则必须采用金属密封。

9.1 真空用橡胶密封圈

接触式真空动密封的结构,最常用的有下面几种类型:

1)J型真空用橡胶密封。

J型真空用橡胶密封圈工作表面应平整光滑,不允许有气泡杂质、凹凸不平等缺陷。

2)O型真空用橡胶密封圈。

3)骨架型真空用橡胶密封圈

4)真空用O形橡胶密封圈

9.2真空用金属密封圈

金属密封圈密封的可拆联接是超高真空系统中常用的联接形式。它是为满足超高真空要求而必须经200~400℃的高温烘烤除气而采用的密封方式。

常用的金属密封圈的材料有金丝和无氧铜两种,它们有下列一些性能:

金(Au)具有高的化学稳定性,高温时不氧化,塑性好,屈服极限比铜或铝低一倍,在较小的夹紧力下即可产生塑性变形,膨胀系数为αg=14×10-6cm/cm•℃,比不锈钢的膨胀系数αs=18×10-6cm/cm•℃稍低。金制密封圈虽有良好的密封性能,但在夹紧力的作用下会发生显著的变形硬化,强度增加。为了保证密封圈密封,必须增大加紧力,而过大的加紧力又会在法兰表面上引起压力痕,影响密封性能。因此,用在要求较高而不经过装拆的联接,拆开后重新装配时需要更换密封圈。由于金的价格比较贵,它的应用受到较大的限制。

铜(Cu)的热膨胀系数为αs=16.4×10-6 cm/cm•℃。铜的硬度比较大,铜制密封圈在使用前必须在真空或氢气中进行退火处理,消除内应力。无氧铜是目前超高真空密封联接中常用的密封圈材料。其不足之处是高温烘烤中与大气接触部分会氧化,因此,在要求高的情况下,将无氧铜的密封圈的表面镀一层金,使其具有更好的密封性能。

作为联接用的法兰盘材料也必须能承受高温烘烤、抗氧化以及在高温时仍有良好的力学性能。最常用的材料是不锈钢。法兰密封表面的粗糙度和尺寸就精度均应满足超高真空密封的要求。

9.3 采用软件变形的动联接密封

9.3.1 非金属软件变形的动联接密封

9.3.2 金属软件变形的动联接密封

9.4 真空用的其他密封

9.4.1 真空用磁流体密封

真空转轴密封具有代表的典型结构是接触式的威尔逊密封。为了防止轴在高速旋转、下气体的泄露,只能增加密封接触界面上的压力。但是由此而产生的摩擦发热问题却难以解决。因此,研制摩擦损失小,使用寿命长的新型密封结构已成为真空装置中应当解决的重大问题之一。为了解决这一问题,近年来应用磁流体进行真空转轴动密封的技术已经在国内外取得了成功。

真空中应用磁流体密封的优点:

1)磁流体密封真空转轴可消除密封件间的接触所产生的摩擦损失,提高轴的转速(可达120000r/min),大大减少泄露。如果采用低蒸汽压的磁流体可将真空室内的真空度维持在1.3×10-7Pa以上。

2)磁流体的密封结构简单,维护方便,轴与极靴间的间隙较大,因此可不必要求过高的制造精度。

3)磁流体在密封空隙中由磁铁所产生的磁场所固定,因此轴的起动和停止较方便。其缺点是磁流体在高温下难以稳定,工作温度一般在-30~120℃之间。轴的过高或过低温度下工作时需要采用冷却或升温措施,从而使密封结构复杂化。

9.4.2 联接接隔板密封

利用磁力把动力传递当真空容器中去的密封是在真空容器外、施加一个旋转磁场1,该磁场带动真空容器内鼠笼式转子2转动,即可达到隔板密封的目的。

这种密封装置的特点:

1)磁联接隔板密封对真空容器内的真空条件没有显著影响,同其他几种动密封相比,其真空可靠性大。

2)运动件与真空容器壁不相接触,在传递运动过程中隔板或隔离圈筒除承受压力差外,不承受其他载荷,从而可以保证磁联接隔板密封的可靠性。

3)真空容器内的“污染”,仅取决于运动部件本身的结构元件,特别是摩擦部件的放气及隔板的透气性。

磁联接隔板密封结构在设计中应注意的问题:

1)外磁铁应尽量接近真空器的内壁;

2)隔离平板或隔离圈筒应用非磁性材料制造;

3)传递运动的铁芯形状与磁铁的形状相适应,而且容器壁或真空室内的其他零件应保证铁芯运动方向;

4)为了减少放气和摩擦建议用包着玻璃的铁芯;

5)磁场强度和磁铁与铁芯的距离应选择使它们运动时与容器壁或容器内的水银、铟等的冲击不大。

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