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大功率柴油机曲轴油封的研制
添加:2018-5-8 15:10:28    游览:17157    来源:网络

  大功率柴油机曲轴油封由于曲轴轴径大,转速高、使用条件苛刻的原因,其密封问题仍未彻底解决。

  油封的密封机理是油封唇口与旋转轴之间形成一条线状接触带,此带处的轴与橡胶之间形成一非常薄的均匀油膜,厚度大约为2.5μm。油膜能将唇口与轴之间因相对运动而产生的摩擦热带走,使其润滑;又能在油膜的表面产生一定的张力,阻止润滑油的流出,形成密封。

  能保证油膜的这一厚度,油封的密封性就良好。当油封唇口与轴配合的过盈太大时,唇口与轴之间的间隙变小,油膜厚度变小,形成了干摩檫或半干摩擦,摩檫热带不走,唇口很快就磨损、烧结;同时还将橡胶粘结在轴或唇口处,使油膜厚薄不均匀,这样就破坏了油膜张力而易产生泄漏。当唇口与轴配合过盈量太小时,油封唇口与轴之间的接触间隙变大,形成较厚的油膜,油膜张力变小,润滑油就容易流动造成泄漏。

  为提高大功率柴油机曲轴油封的密封性,我 们釆用了带回流线型的氟橡胶油封和复合材料油封,并在结构设计和装配与使用上加以改进,通过油封的部件台架试验、整机台架试验和试车试验加以验证,取得了良好的效果。

  1 曲轴油封材料改进

  曲轴油封安装在发动机后端(传动端)的曲轴尾部,曲轴轴径为190mm,最高转速为2350r/min,故唇口的线速度高达23.38m/s,超出了一般油封线速度的规定值(通常为14~15m/s),而且唇口与轴接触部分的温度高达150℃。因此一般的丁腈橡胶油封满足不了使用要求,常常发生泄漏。如我们研制的某型号初样机油封,由于采用的特种丁腈橡胶2-73的耐油、耐温性差,在整机台架上运转不久就渗漏,观察油封,油封唇口有烧结现象,分析失效原因主要是唇口材料不能满足高温的要求。为此,在2-73材料的基础上,在油封的唇口粘贴一层填充的聚四氟乙烯(PTFE)薄片,厚度约0.3~0.5mm,既利用2-73橡胶的优良弹性和跟随性,又利用聚四氟乙烯的自润滑性和使用温度高的特性,经台架试验,密封性较以前有所改善,但还是不能满足整机要求。为此我们研制了耐温、耐磨、耐介质、拉伸强度高、抗老化性强的特种氟橡胶F70-12,经发动机台架试验,密封性有较大改善。

  3种材料主要性能对比试验结果如表1所示。

表1 3种材料主要性能对比试验结果
表1 3种材料主要性能对比试验结果

  2 曲轴油封结构改进

  2.1 采用回流型油封结构

  在改进橡胶材料的基础上,我们同时对油封结构进行改进,采用了回流型结构。从理论上分析,其流体力学性能较普通油封性能优良。因为回流型油封有回流线,回流线有泵吸作用,能及时将流入唇口部位的润滑油泵回油封一侧,起到了密封作用;同时泵回的油使唇口与轴的接触部位形成润滑油膜,使唇口磨损减小,延长油封的使用寿命。其结构如图1所示。

图1 回流型油封结构
图1 回流型油封结构

  在结构改进以后,模拟曲轴油封实际工作情况,按曲轴油封寿命试验技术条件进行了台架寿命试验。试验条件为:试验台转速为2300r/min,介质为40CD油或10W40CD油,油温为(90±5)℃与(125±5)℃各10h做循环,同时试验两套油封,不停机连续考核了610h(还可继续),其总渗漏量均小于5g,可以满足整机500h的要求。 但在试验完毕停车时,唇口部分有嗤嗤的响声,并有油渗出来。分析原因,主要是在唇口处油的泡沬爆裂产生强烈的局部冲击,迫使唇口与轴的间隙加大而渗油。此时曲轴箱的压力较高,达0.05MPa,若及时采取降压措施,使其不超过0.02MPa,则泄漏有所改善。如果将回油线凸出部分磨平或更换模具制成不带回油线油封,则效果较带回油线油封差。

  2.2 油封前采用消泡板结构

  为解决因泡沫而产生的渗漏,我们在柴油机上采取了消泡装置,如图2所示。消泡板与轴之间设计1.2〜1.5 mm的间隙,阻止泡沫进入油封内部,并在座体下部留有回油槽,在柴油机考核至201h未发现漏油现象,后因整机维修拆装了曲轴,再装上原油封后有微滲现象,直至发动机又运转,微渗未中断。

图2 曲轴油封挡油板结构
图2 曲轴油封挡油板结构

  2.3 甩油盘结构

  借鉴其他柴油机的密封结构,油封前采用甩油盘(在压紧衬套与传动齿轮之间压一小盘),随着曲轴的高速旋转,将传动齿轮挤出的高压油甩离油封,如图3所示。在柴油机中进行考核,到250h后有微渗现象。

图3 曲轴油封甩油盘结构
图3 曲轴油封甩油盘结构

  2.4 低腰薄腰油封

  在釆用挡油板和甩油盘结构后仍未能满足整机要求,将机体上影响漏油的因素逐项排除,只有从油封本身的结构上加以调整,设计了低腰、薄腰大过盈量、密回流线型油封,腰部高从14mm降到12.5 mm;腰厚从 1.8mm降至1.4mm;唇口过盈量从2.2mm提高到2.8mm;并且将紧箍弹簧圆周长缩短8mm。

  这样既耐压又跟随性好,经部件台架500h考核,密封性良好,满足部件试验技术条件要求;整机不同工况考核420h未渗漏(因其他原因在420h时重拆装了曲轴);其间还通过了塔河寒区和桂林热区试车试验,能可靠密封,可以满足整机密封性要求。

  2.5 复合型油封

  由于橡胶油封主要存在启动摩擦阻力大,耐高、低温性差,易磨轴,不耐压和轴的偏心及跳动 将明显降低其密封性等缺点,借鉴国外油封的设计,我们研制了大直径的动压复合型聚四氟乙烯(PTFE)油封,由于PTFE的自润滑性、摩擦因数小和耐高、低温的性能以及其接触带较宽,近似于面接触,对轴的磨损较小。而且,PTFE对轴的偏心不敏感,跟随性较好,具备停车密封性能,因而在大功率、大轴径的场合较有优势。同时,复合型油封与橡胶油封具有互换功能,油封外骨架与座体为钢-钢小过盈接触,因而安装不易翘曲。

  在柴油机台架考核时,曲轴后油封450h不漏油,但前油封(轴径为160mm)在100h拆检时,堵盖中有机油,分析可能是由于装配不当引起的。

  表2是不同结构油封整机台架试验结果。

表2 不同结构油封整机台架试验结果
表2 不同结构油封整机台架试验结果

  3 曲轴油封装机和使用

  曲轴油封密封性的提高,不仅要有良好的材料和结构,而且要有正确的安装和使用方法。

  3.1 安装偏心、翘曲

  在某柴油机台架试验时,曲轴油封在30h试验后就有渗漏现象,拆检发现轴部光亮密封带宽度较以前宽,三坐标检查安装在座体上的油封唇口,高度差为2.5mm,分析原因主要是油封在安装时偏心、翘曲。因为在唇缘部分形成椭圆密封面,随着轴的偏心运转,唇口和轴之间的油膜厚度增大,就容易引起漏油。后经改进装配工艺,用专用工装将油封在压力机上均匀压入座体,使肉眼看不出偏心、翘曲,经过发动机考核以后,密封性显著提高。

  3.2 干摩擦

  还有个别油封,上台架试验不久就漏油,拆检发现唇口磨损较严重,而且在轴上粘着橡胶粘状物,分析主要原因是装配时没有在唇口涂润滑油,以致唇口与轴发生干摩擦而产生大量的摩擦热,造成唇口过度磨损而泄漏。因此装配时应在油封唇口涂一层润滑油,以防止唇口与轴的干摩擦。

  3.3 油封划伤

  由于油封己与油封座体成一部件,在安装油封时,有时由于压紧衬套的导向带粗糙或有毛刺,会划伤油封唇口,或由于导向带与唇口涂抹润滑油不够,压入油封时,出现翻唇或弹簧脱落,这样都会破坏油封的密封性,造成漏油,因而需专用导向套并涂抹足够的润滑油。另外,油封座孔与轴的同心度、唇口处轴的粗糙度和紧箍弹簧的松紧度都是影响油封密封性的关键因素,在使用中要充分注意。

  4 结论

  通过大功率柴油机曲轴油封选用合适的带回流线型的特种氟橡胶和复合材料,设计合理的结 构以及采用正确的安装工艺等措施,发动机的漏油率显著下降,密封性大有改进,能够满足大功率柴油机的使用要求。

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