常用密封设计探讨

【摘要】 本文分析了常用的密封形式的结构形式、密封机理、影响密封能力的因素以及密封的发展方向。

【关键词】 密封；密封结构；密封性能；影响因素；应用；发展方向

在工程实际中，由于机械加工的结果，机械产品的表面必然存在各种缺陷和形状及尺寸偏差。因此，在机器零件的连接处不可避免地会产生间隙，为了保护内部的零部件免受外界灰尘和水分的进入，要进行一定的密封。而且保证可靠的密封性和长久的使用寿命也是提高整个设备使用性能的一个重要方面。

1 密封的主要类型

密封在本质上是使用一种装置来密闭(密封)一个缝隙或使一处结合不漏流体(气体或液体)的。密封的分类必须考虑密封结构，并对其性能加以综合考虑。按密封件可将密封大体上分为以下两类：

1） 在彼此没有相对运动的结合面间产生密封性的静密封件；

2） 在彼此有相对运动(如一根轴相对于一个孔的回转运动等)的结合面间产生密封性的动密封件。

另外还有一些专为防止尘埃、灰尘、和其他有害污物侵入一个系统而设计的密封件类型。这类密封件采用了防护罩或类似的结构形式，基本上属于半静密封件。

静密封通常依型式来命名，如垫片、环形密封件等。垫片又可以进一步按材料来分类，像非金属垫片、橡胶垫片、金属垫片等；或者按其结构化分为平垫片、螺旋缠绕垫片等。密封胶常被看作是静密封中单独的一类，分别为液体垫片、液态联结、螺纹密封胶等。

动密封件则可以归为以下两大类：

1）强制压力下贴压在密封面上的接触型密封件。

2）靠固定间隙(即没有摩擦接触)起作用的间隙密封件。

大多数通用动密封件都属于前一类，此类密封件又可分为压缩型密封件和压力赋能性密封件。

2 影响密封性能的因素

密封的目的在于，对一处有可能发生泄漏而要对其施以密封的地方，设置一个完善的物理壁垒。静密封件是无泄漏密封件。欲达此目的，密封件必须有足够的弹性，以能够嵌入和填满被密封面上的任一凹凸不平之处，同时还要保证足够的刚性，在防止系统满载密封压力下挤入表面件的间隙之中，此两项要求长时间得到满足。弹性流动是通过压紧加载而形成的，密封件经压缩处于受力状态。系统中可能产生的任何应力松驰都会使性能降低。这种情况也可能由于密封材料本身的应力松驰、不均匀热膨胀等而引起的。

有关一个动密封件的这些要求彼此间则是有抵触的，因而需要通盘考虑。以接触型密封件而论，良好的密封性需要被密封面上有足够大的接触压力；同时，密封件要最大限度地减少磨擦和磨损以减少系统的惯量，以便有利于伺服系统的稳定性、动态响应和伺服精度，同时也有利于减小用于克服摩擦载荷的功率损耗。在接触型密封结构中，由于静态压缩应力，密封件摩擦作用过程中的周期载荷，以及具有化学和物理化学活性的密封介质的侵蚀作用，对密封材料性能随时间的稳定也提出了较高的要求，限制了接触型密封元件的使用条件。在大多数情况下，应综合考虑上述因素，以确定密封使用条件。密封材料与密封介质相互作用，通常伴随缓慢的化学反应过程。例如，腐蚀或氧化过程、扩散及吸附等。其结果使密封件发生老化，同时使用性能也会发生恶化。密封的可靠性差不仅会影响机器的正常运行，增加修理的几率，而且会影响人们的安全。所以，密封的工作能力和可靠性被认为是机器的一个重要的特性。密封最主要的特性是寿命，是指维持所要求密封度的时间间隔或机组的工作周期。金属与非金属材料组合的密封装置，由于其材料膨胀系数的不同，所以密封对温度的波动也特别敏感。

对于在结构设计阶段如何保证密封系统的可靠性在这里提出一下建议：

1）原料和生产资金有保证，且密封结构简单和价格便宜；

2）必须最大限度地采用标准化和统一规格元件的密封结构，这是实现密封系统故障正态分布和满足可靠性经济观点及密封质量要求的条件之一。

按下列原则可以获得密封系统的最佳使用条件：

1）密封系统中的密封件之间功能要分别做出规定，其中每一种功能都要满足机器密封部件提出的要求；并保证其密封功能；

2）从结构上采取措施，消除和减少某些使用中有害因素的影响；

3）在密封连接处，减少生成热，例如，采用非接触密封代替接触密封；改善接触零件的耐磨性质等方法；同时，建议缩短密封周边，以及尽量减少动连接密封，用钎焊和焊接代替可卸连接。在配合表面上形成划痕，从而导致正常泄漏状态遭到破坏；由于泄漏量增加，固体颗粒更易进入摩擦区域，致使接触压力的改变和破坏摩擦副。

4 常用密封结构形式

密封技术的关键在于消除各种零件连接处间隙的泄漏。机械设备的连接处要实现密封，原则上有很多方法，其中主要的有以下几种：

1）接触零件的精密配合。这种方法在于最大限度地保证连接表面轮廓相吻合，即在精加工过程中，使之达到最小的微观粗糙度；

2）连接处承受压应力，使接触部位微观不平部分产生变形；

3）利用辅助介质填充间隙；

4）利用焊接、粘接等方法形成永久性连接；

5）利用电磁场，使其与连接处间隙中的介质相互作用。

结合表面精密配合，这种方法在许多结构中都可以满足密封要求。不久以前，它是机器运动零件连接处广泛采用的密封方法。这种方法的优点在于对高载荷、高温、低温、存在温差及配合面间有相互位移时，都具有密封可靠性，且连接处刚性好，所用零件较少，结构简单。缺点也显而易见，由于大量采用精密加工，因此加工难度大，且费用较高。

连接处加载，利用接触面受压缩应力，使微观粗糙度变形而实现密封。实际上这种方法可以应用于所有密封装置中。其主要优点为在密封件的加工性方面，对配合表面的粗糙度、精度要求较低，而且由橡胶、热塑性材料及其他非金属材料制造的密封件材料来源丰富且具有互换性。缺点在于要达到密封的可靠性，必然会增加结构的复杂性和加工制造的难度。

在机器制造中，利用辅助介质填充连接处间隙已成为一种独立的密封方法，同时，也可与精密配合密封方法及组对零件加载的密封方法结合使用。

用焊接、粘接密封是最可靠的密封方法之一。焊接密封是利用连接零件接触处材料熔化，随着熔化液体的固化而形成整体，从而使连接处的刚度和强度增加，以保证密封的可靠性，实现稳定的密封作用。通常所用的焊接方法有气焊、手工电弧焊和自动焊等。粘接密封主要借助于粘胶密封剂(密封胶、粘附剂)，在溶剂或聚合物的蒸发过程中形成粘接整体。在不整齐的断开处很容易进行粘接连接，并可得到牢固的密封结构。为了使密封连接处具有足够的强度，还可以利用铆钉、螺纹连接和过盈连接等措施。这种方法的最大缺点是密封连接处不可拆。

电磁密封是利用在连接间隙中的介质，在电磁场的作用下产生密封作用。由于电磁场和密封介质的相互作用，利用液态金属和强磁性液体，集中产生一个具有很大应力场的区域，从而产生封阻密封介质的作用。

密封系统的工艺性是与密封制造经济技术要求相一致的，在选择密封结构和材料时，首先应保证工艺性。密封材料的工艺性特征包括密封零件加工制造时的工作量和能量消耗、形状及尺寸精度以及密封件表面的质量。另外还应看到，在近十年内，用塑料取代金属已成为一种新的发展方向。

5 小结

密封技术对于大多数技术领域都有着重要的意义，并且始终是机械制造专家们所关注的中心问题。先进的密封技术是自动化连续生产、文明生产所必需的重要环节。最近二三十年来，新资料丰富了密封技术，同时在本质上使密封理论更加复杂化。密封技术的发展会在很大程度上促进机器制造业水平的提高，同时也会增强人类战胜自然的能力。

参考文献

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收稿日期：2008-03-01