密封圈装置在水中兵器研发中的应用分析

【摘要】密封圈装置是水中兵器装备中的一种关键和必不可少的机械部件。本文介绍了目前水中兵器研制中一些常用的密封圈装置和在未来开发中即将使用的新型密封圈装置。其中包括常用的型密封圈、Y型密封圈、组合动密封装置、磁流体密封等等密封方式和装置。

【关键词】密封圈；密封装置；水中兵器；应用

1.引言

密封是防止泄露的有效方法，被密封介质往往是以穿漏、渗漏或扩散的形式通过密封件泄露的。因此，密封结构决定着设备的安全性、可靠性和耐久性。

在水中兵器的研制和开发中，由于水中兵器有的长期安放在水中或者需要浸泡在水中，有的水中兵器在水中进行航行或者运动时需要跟海水、湖水等液体接触，如果密封装置做得不好，会使不同介质的水液体浸入水中兵器中，影响到水中兵器的作战使用和寿命，从而影响其战斗力。为此，研制和开发各种类型的密封圈装置对于水中兵器研发工作显得十分重要。本文介绍了目前水中兵器研制中一些常用的密封圈装置和在未来开发中即将使用的新型密封圈装置。其中包括常用的型密封圈、Y型密封圈、组合动密封、磁流体密封装置等等密封方式和装置。

2.水中兵器密封件的设计原则

密封装置从工作条件和状态来看由静密封和动密封，但无认是静密封还是动密封，其密封设计的思路都是从密封件的使用条件和工作状态出发，从密封方法中寻求能满足使用要求的技术方案。因此在水中兵器装备具体设计和密封件结构的选择与材料等方面，通常应考虑以下几点：

a）根据工作介质和温度，选择密封件的材料；

b）根据系统压力的高低，应从密封件的结构及装置的运动形式和装配间隙尺寸入手；

c）根据密封器件运动面的速度，选择密封件的结构型式；

d）根据运动器件运动时的跳动量，选择材料的硬度或采用适当调整参数；

e）根据工况要求，选择合理的耦合面的加工精度与表面粗糙度以及装配精度等。

3.型密封圈

型密封圈（以下简称密封圈）密封是最常用的一种密封形式，它具有密封性可靠，密封部位简单，易拆卸，运动摩擦阻力小等特点，在水下设备中广泛使用。影响其密封性能的主要因素是密封圈的预压缩率及密封处的配合精度，因此，如何选配密封圈及密封槽尺寸，是保证密封可靠和使用寿命的关键问题。

O形密封圈是一种挤压型密封，其密封机理是依靠密封件发生弹性变形，在密封接触面上造成接触压力，接触用作往复运动密封件时，其预密封作用和自密封作用与用作静密封时一样。但由于活塞杆往复运动时很容易将液体带到O形圈和活塞杆之间，导致发生黏附泄露，情况比静密封复杂。当往复运动时，密封是依靠密封件与运动活塞杆之间流体膜的弹性流体动压效应来实现的。活塞杆的动密封及机理决定于由活塞杆带入密封界面液压流体的行为。首先，在外行程过程中，密封件应能将大部分液压流体刮离液压杆表面，但不可避免地总有一层很薄的液体被带入密封件与液压杆间的界面，形成一充满液体的密封间隙，这一间隙很少超过。如果每一个运动方向的该间隙可以计算确定，则流体通过密封件的流量可以确定，泄露率和摩擦力则可预测。

密封圈使用中应注意的问题：

1）密封圈的永久变形和弹性消失是其丧失密封能力的重要原因，主要是由于压缩率和拉伸量过大、长时间产生橡胶应力松弛造成失弹；工作温度高使密封圈产生温度松弛与工作压力高、长时间作用而永久变形。为此，在设计上尽量选择耐高压、高硬度、耐高温的材料。

2）装配前，密封槽和密封接触面必须严格清洗，并在密封接触面上涂剂。

3）为了防止密封圈在安装时被尖角和螺纹等锐边切伤，在密封槽进口处设计倒角、倒圆，在安装的轴端和孔端留有15°～30°的引入角，当密封圈需通过外螺纹时，应使用专业的薄壁金属外套，套住外螺纹。

4.Y形密封圈

Y形圈依靠其张开的唇边贴于密封副耦合面。无内压时，仅仅因唇尖的变形而产生很小的接触压力。在密封的情况下，受内压作用，与介质接触的每一点上均有与内压相等的法向压力，所以Y形圈底部将受到轴向压缩，唇部受到周向压缩，唇与密封面接触变宽，同时接触压力增大。当内压再升高时，接触压力的分布和大小进一步改变，唇部与密封面配合更紧密，密封性更好，这就是Y形圈的自密封作用。由于这种自密封作用，一个Y形圈能有效地封住32MPa的高压。

Y形圈对偏心载荷和偏心运动的适应性并不强。当活塞的运动和受力遇到偏心时，为了避免唇部偏心磨损，常在密封之间设一抗磨环。抗磨环的材料应耐磨并具有自性，一般采用尼龙或聚四氟乙烯。

由于接触面的粗糙度对Y形圈的寿命和密封性有很大影响，所以一般缸的内壁面粗糙度值应在以下，最好经过辊压。活塞杆的密封面，应镀铬并抛光，要求粗糙度值在以下。安装Y形圈的沟槽，也应有粗糙度的限制，侧面值应在，底面值应为。Y形圈通过的部位，不得有尖角、毛刺，因为这些加工痕迹通常都非常坚硬和锋利，很容易刮伤Y形圈的唇部。

5.组合密封

活塞密封是水中兵器研制和开发中经常碰到的一个问题。活塞密封是最常见的密封，影响活塞密封的因素是多方面的，比如密封件的质量，活塞的加工质量，结构设计的合理性。

水中兵器装置的工作条件一般比较恶劣。在重载冲击的工作环境中，水中兵器装置的运动部件要进行往复运动，接触部位的温度由于冲击急剧升高，进而导致普通密封很快失效。尤其是由于冲击力将外界固体颗粒或液体将进入活塞与缸体内壁之间的间隙，使运动部件发生腐蚀磨损和磨料磨损，导致运动部件很快报废，进而导致装置不能正常工作。要提高该装置的使用寿命，密封结构的设计需要考虑由于冲击而产生的摩擦热、由于冲击而带入活塞间隙的固体颗粒或液体、活塞表面的等

组合密封由密封环、两个导向环、两个挡圈、一个弹性橡胶圈组成。导向环起定位和导向作用，挡圈起到支承和定位作用，弹性橡胶圈提供预紧力并补偿密封环的磨损，密封环与油缸内孔形成配合而对偶面产生密封效果，具有双向密封效果，如下图所示为密封结构示意图。导向环采用材料是聚四氟乙烯PTFE，该种材料具有自性，耐磨性能优异，与金属表面无粘着作用，摩擦阻力小的优点，而聚四氟乙烯PTFE的最大缺点是缺乏弹性，没有自密封能力，而弹性橡胶圈具有良好的弹性，从而使组合式密封圈具有自密封能力。这种组合密封利用了聚四氟乙烯PTFE低的摩擦系数和磨损系数，由此降低了密封件的摩擦系数，提高了密封的可靠性和使用寿命。

6.磁流体密封

磁性流体（也称磁性液体或铁磁性液体）是由纳米级的磁性颗粒，经过特殊的处理均匀分散到某种液体中而成的一种稳定的胶状液体。磁流体密封的原理如图所示，由于磁流体在外加磁场的作用下会表现出很强的磁性，因此在磁场的作用下它被固定在密封间隙内，形成液体O型密封，阻止泄漏。磁流体密封的主要特点是：（1）密封性能好，可以实现零泄漏；（2）结构简单，体积小，安装部位紧凑，装卸方便，制造容易；（3）具有自密封作用，不需要周期性调整；（4）因为所用的密封介质本身有的作用，所以不需要再加装置；（5）传输效率高，磁流体密封装置在旋转状态下，摩擦力极小，无机械磨损，发热低，功率损耗极小，传输效率几乎达100%；（6）良好的修复性，磁流体密封装置在使用过程中，如果因某些原因造成密封失效，只要内部元件功能正常，一般可在现场用较短的时间就能修复。

7.结束语

密封在现代水中兵器装备（下转第110页）（上接第108页）领域中起着十分重要的作用，密封件作为一个机械元素，它是水中兵器机械设备中最常用的结构件之一，但常常被设计人员所忽视。这样就会导致液压、气动设备出现泄漏问题，究其原因主要是：在很大程度上是由于设计者在设计过程中将精力集中在设备的使用功能上，而忽视了密封问题，或者说是对密封原理不甚了解，在设计、选型和维护保养等方面不当而造成设备内部介质的泄漏，从而使设备不能正常运转，带来不必要的经济损失，问题严重的还会影响到装备的正常使用，给装备带来不必要的损失。因此，我们在今后的水中兵器的研制和开发中一定要注意密封装置的研制和开发工作，确保各种水中兵器装置的密封性好，达到指标要求。

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作者简介：张帆（1984—），湖北宜昌人，毕业于华中科技大学，现供职于中船重工第710研究所107室，研究方向：水中兵器科研。