添加时间：2016-5-6 9:49:23    摘抄：www.aosailuo.net

　　【摘要】由于现有的无油润滑活塞杆最常用的为填料函和挡油圈的组合，这种结构，填料函的摩擦阻力大、易磨损、漏气快;且刮油器内的密封环磨损后得不到补偿，使用寿命短。本文采用国际上较前沿的帽式密封结构对活塞杆进行密封，并建立帽式密封件的密封接触压力数学模型，然后在活塞杆密封装置上，运用实验方法分析密封介质压力对帽式密封件密封性能的影响，以验证帽式密封结构的可靠性。

　　【关键词】活塞杆密封;帽式密封;实验分析

　　1 引言

　　现有的无油润滑活塞杆基本上多是采用组合式的密封来防止油、气的泄漏问题。其中最常用的是由填料函和挡油圈的组合，以填料函密封活塞杆和气缸座之间的间隙，防止气体由气缸内沿活塞杆向外泄漏;而用挡油圈阻挡曲轴箱内的润滑油被活塞杆带入填料函内，最终渗入气缸内。有时为了增强阻油效果，还可再设置有刮油器，这种现有的组合式密封存在有下述的不足之处 [1]。

　　(1) 填料函的摩擦阻力大，不仅功率损耗大，而且易发热，冷却效果差，若欲增强冷却，则又造成结构复杂、成本增加等问题;

　　(2) 填料易磨损，形成漏气，故需经常调整、更换，加重了保养维修工作;

　　(3) 刮油器内密封环磨损后得不到补偿，导致刮油效果下降，使用寿命短;

　　(4) 挡油圈橡胶挡油唇口与轴颈卡紧程度的自动补偿能力弱，密封可靠性差。

　　为此，设计一种无油润滑活塞杆防气、防油密封组件，解决现有密封组件阻力大、功耗大不能自动补偿磨损造成使用寿命短的技术问题，该组合式密封结构如图 1 所示 [1]。

　　参见图 1，本密封结构包含自紧式的帽式密封件 1 ( 2、18、17、19、3 ) 和滑动密封件 ( 6、7、13、15、16 ) 两部分，帽式密封件 1 和滑动密封件分别穿置在活塞杆 9 上，该帽式密封件 1 由盖板 2、帽式密封环 18、O形圈V ( 17 ) 、挡圈19 和垫板 3 组成。以填充聚四氟乙烯制成的帽式密封环 18 设置在垫板 3 的座孔内，其内圆周面与活塞杆 4 接触，其外圆周面套设有 O 形圈 V ( 17 )，一般设置一个 O 形圈 V ( 17 )，或更多的数量。叠置的 O 形圈 V ( 17 ) 和帽式密封环 18 上端面受盖板2 座孔端面的阻挡，帽式密封环 18 下端面抵靠在垫板 3 的上端面上，由于 O 形圈 V ( 17 ) 的内缩，故帽式密封环 18 内孔的周面始终紧贴在活塞杆 9的外周面上，形成自紧式的帽密封，以防止气体从气缸内沿活塞杆 9 外泄漏[1]。

　　2 密封介质压力对帽式密封密封性能的影响

　　2.1 O形橡胶圈产生的预压缩量

　　不同的安装过盈量会对O形橡胶圈产生预压缩量，而预压缩量使O形橡胶圈与帽式密封环产生接触应力 σ0′。其接触应力 σ0′沿接触宽度b的分布近似为抛物线，最大值 σ0max′可用下式计算 [2]。

　　2.2 被密封气体无压力

　　当被密封气体无压力时， 帽式密封环 18 内圆和活塞杆 9 外圆间接触应力 σ0 为 [2]

　　σ0=ασ0′ (2)

　　式中 α——接触应力传递系数， α≈1

　　2.3 被密封气体有压力

　　在被密封气体存在压力的情况下， O形圈 V(17) 被气体推靠在放置于沟槽的挡圈 19 的侧面之后进一步变形 (图 3、4)，对帽式密封环形成侧压力，使之密封环之间的径向接触应力 σ′ ( MPa)增大，其计算公式如式 (3) 所示 [2]。

　　2.4 计算密封初始应力

　　由式 ( 5 ) 计算存在高压密封气体的情况下，计算O形圈压缩变形对帽式密封环产生的最大接触应力(保证密封的初始应力)

　　3 实验分析

　　表征活塞杆用密封件密封性能的主要参数为泄漏量(泄漏体积或压降)、摩擦功耗(摩擦系数)、磨损速率(磨损量)等。为了研究活塞杆密封件的上述性能，本文通过专用密封试验装置测试活塞杆帽式密封件的性能，对实验数据采样分析，研究运行工况参数对帽式密封件性能的影响。其密封装置如图 2 所示。记录密封高压气体时，气体的泄漏体积 [4] 和密封腔内气体压力。

　　如图 4 所示，为密封氢气压力为 8 MPa 时，帽式密封试验的顶腔内 (帽式密封件上方的密封腔体)，氢气压力随时间变化的曲线图。由图中可以看出，活塞杆刚开始做往复运动时 (第 0~0.5 h)，帽式密封环与活塞杆为跑合磨损阶段，温度升高，顶腔内氢气压力上升;第 0.5～3 h 附近时间段内，系统达到热平衡，压力又逐渐恢复到初始气压;第 3~5.5 h，气体压力氟橡胶O形圈 V 开始向内挤压帽式密封环，导致帽式密封环与活塞杆间的接触压力增大，单位时间间隔内从该处泄漏的氢气体积减少，压降减小;第 5.5~8 h 附近时间段内，帽式密封环与活塞杆达到稳定磨损，氢气泄漏量恒定，单位时间间隔内的压降均匀。

　　如图 5 所示，为密封氢气压力为 8 MPa 时，帽式密封试验的曲轴箱内 (帽式密封件下方的密封腔体)，氢气压力随时间变化的曲线图。由图中可以看出，试验台运行的第 0~0.5 h，氢气从活塞杆间隙泄漏增多，曲轴箱内氢气压力迅速升高;第0.5~4.5 h，由于箱内气压的作用， O形圈V被氢气推靠向挡圈 19 的侧面之后进一步变形，对帽式密封环形成向内侧压力，使帽式密封环与活塞杆之间的接触压力增大，通过该密封面的氢气泄漏量减小，导致压力迅速降低至 0.036 MPa。

　　4 结论

　　( 1 ) 由图 4 可知，系统热平衡时，帽式密封件稳定磨损，磨损量大，顶腔氢气压降大，可见在高压气体作用下，帽式密封密封效果不佳，气体泄漏快。

　　( 2 ) 由图 5 可知，高压气体对帽式密封件的O形圈起到侧挤压作用，一定程度上延缓了氢泄漏至曲轴箱内的速度，使得曲轴箱内气体压力较小。由此可见，提高帽式密封件在高压下的耐磨性，减小O形圈的弹性模量，使O形圈更易受气体挤压产生侧变形，能从理论上提高帽式密封件的性能。

　　【参考文献】

　　[1] 陈志林，顾根香，金永星，等.一种活塞式气体压缩机活塞杆高压密封组件：中国， 200520042633.5[P].2005-06-20.

　　[2] 李尚义，吴盛林.聚四氟乙烯组合式密封件的工作机理与结构分析[J].机械工程师， 1988， (3)： 5-8.

　　[3] 徐大伟.压缩机活塞环产生的摩擦阻力的计算[J].压缩机技术， 1998， 5 (2)： 2-4.

　　[4] 张康雷， 周志鸿，等.压缩机液压缸活塞杆密封的泄漏量计算[J].润滑与密封， 2005， (108)： 102-105.

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