组合密封在液压缸密封中的应用

摘 要:本文介绍了特瑞堡公司用于活塞密封的格莱圈和用于活塞杆密封的斯特封的作用原理和特点,介绍了这两种组合密封常见的失效形貌特征,并分析了导致它们失效的原因以及相应的防止措施。

关键词:格莱圈;斯特封;组合密封;失效;形貌特征

1 前言

密封是解决液压系统泄漏问题的有效手段之一,当液压系统的密封不好时,会因外泄漏而污染环境,还会造成空气进入液压系统而影响液压泵的工作性能和液压执行元件运动的平稳性[1]。活塞密封件是应用于液压缸缸体内部的液体密封,它们位于缸头内部,对缸孔进行密封,以防止液体从缸头流出,这使压力在活塞的一端积聚,从而让油缸得以伸缩;活塞杆密封件对缸杆进行密封,必须满足在所有工作条件下没有至大气侧的动态泄漏,并且当机器停顿时又必须是完好的静态密封。此外,要通过减少摩擦来提高机械效率,并且要便于安装在小沟槽中。

2 格莱圈和斯特封的密封原理及其特点

2.1格莱圈和斯特封的密封原理

格莱圈和斯特封是由特康滑环密封和施力的O形圈组成的组合密封。它们是通过径向的过盈配合,连同O形圈的预压缩,来保证即使在低压下也具有良好的密封效果。当系统压力升高时,O形圈通过流体施加更大的力,使格来圈和斯特封更加紧贴密封面。格莱圈、斯特封为主密封,O形圈为辅密封。

图1为格莱圈和O圈组成的组合密封示意图,它用于液压缸活塞的密封,表现为双作用形式,油液的压力作用于格莱圈的两侧。格莱圈的两个侧面具有倒角,使密封圈的截面朝着密封面逐渐变窄,其截面的形状仍然结实而紧凑,而且也不会减少因压力产生的最大压缩所需的弹性。在建立压力以后密封圈压向沟槽一边,由于密封圈侧面是斜的,导致密封圈有所“倾侧”,于是最大压力点就移向直接和压力接触的密封边缘那部分。

图2为斯特封和O形圈组成的组合密封示意图,它用于液压缸活塞杆的密封,表现为单作用的形式,油液的压力作用于斯特封的一侧。特殊形成的密封边缘在高压侧具有很陡的接触压力梯度,而在低压侧产生较平缓的接触压力梯度,保证附着在活塞杆上的油膜在活塞杆的返回行程中回到高压腔。这就防止了在活塞杆伸出时带出高压腔的微量油层造成的泄漏,这种返回输送的特性,防止了通常伴随串联密封配置形成的中间压力。采用一前一后的斯特封和O形圈组成的组合密封几乎可以达到零泄露。

图3为活塞密封和活塞杆密封示意图,在液压缸的密封中,采用由格莱圈和O形圈的组合来密封活塞和由斯特封和O形圈的组合来密封活塞杆可以实现比较好的密封效果。在实际的应用过程中,可根据实际的情况采用格莱圈、斯特封多级串联的安装方式达到预期的密封效果。

2.2格莱圈和斯特封的密封点[2]

格莱圈和斯特封的几何形状保证其具有良好的静态、动态密封效果,并允许往复运动时在密封处建立油膜,它们具有如下优点:

(1) 主要采用以TurcOn[R] 聚四氟乙烯为主的材料制造,在极端温度条件下表现出的性能无可匹敌;

(2) 起动时无爬行,工作平稳;

(3) 动态和静态摩擦系数小,能量损失少且生热低;

(4) 耐磨损,保证使用寿命长;

(5) 即使长期不动作或长期储存期间,配合表面无粘附现象;

(6) 适合大多数液压油以及大多数现代硬件材料,几乎与所有介质兼容;

(7) 适合密封的最大活塞杆直径达2600mm。

3 失效组合密封表面形貌特征及失效的原因分析与防止措施

格莱圈、斯特封与O形圈一起组成组合密封,其中格莱圈、斯特封主要由聚四氟乙烯(PTFE)组成。由于其使用条件和工作情况的复杂性,组合失效密封件的破坏形式也是多种多样的。图4~图11列出了陶瓷压机上常见的组合密封件失效的外观照片及破坏特征示意图,以供分析密封系统失效原因时参考。

图4所示失效格莱圈横向撕裂,表面有许多裂纹。其原因是密封件已经达到了其疲劳极限。解决的办法是更换密封件同时对系统进行清洗或更换新油。

图5所示失效格莱圈的厚度出现了明显不均现象。其原因是油缸受到偏载荷,偏载荷超过了格莱圈的抗压强度,导致了受压变形。解决的办法是根据重型用途来选用密封圈,提高其抗偏载荷的能力。

图6所示失效格莱圈与活塞杆的接触面出现飞边。其原因是与密封件相配的滑动表面粗糙度太低。解决这类问题的措施是:在进行密封结构设计时,采用与密封件相适应的表面粗糙度。

图7所示失效斯特封整体扭曲,沿纵向撕裂,严重变形。其原因是由于泄漏的液压油没能及时排出产生了困油现象,在运动的过程中瞬间产生的高压把斯特封从沟槽中挤出,导致了活塞杆直接与油缸接触,进一步加剧了斯特封的磨损,最终密封彻底失效。解决的办法是在设计液压缸时,针对可能存在困油现象的地方要设计排油孔,让泄漏的油液及时排出,防止困油带来的严重后果。

图8所示失效格莱圈在滑动面上有小的压痕。其原因是配合面上有灰尘或切屑,也可能是液压油中有杂质或氧化产物。解决的办法是对系统进行清洗或更换新油。

图9所示失效O形圈沿纵向切面撕裂,撕裂面规则,密封圈表面无明显的伤痕。其原因是材料的抗老化性、内部缺陷导致密封件的整体性能没有达到要求,解决的办法是更换合格的密封圈。

图10所示失效O形圈表面出现大量大小不同的凹坑,沟槽内有部分炭化痕迹。这是系统中没有排净的空气绝热压缩引起了焦烧,残存空气绝热压缩可在瞬间产生高温 ,远超过密封材料的耐热极限。为防止这类问题的出现,可采取以下措施:液压油缸启动之前,尽量排净系统内的空气;装配前在密封件的沟槽内加入脂以防止空气积累。

图11所示失效O形圈沿纵向撕裂,撕裂面不规则,表面出现大量大小不同的凹面。除了图10中的原因外,还可能的原因是沟槽两侧加工精度没有满足安装要求。解决的办法是按照密封件要求的安装精度设计,同时对系统进行清洗或更换新油。

参考文献

[1] 刘延俊主编. 液压与气压传动[M]. 北京:机械工业出版社,2002.

[2] 特瑞堡密封选型指南.