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零泄漏低摩擦密封系统

零泄漏低摩擦密封系统 2011年12月04日 来源： 随着液压系统工作参数的提高和环保意识的加强，对其密封系统提出了越来越高的要求。一个理想的密封系统应该是：低（零）泄漏，低摩擦磨损，较长的使用寿命。 在往复运动情况下，由于弹性流体动力润滑的存在，密封件或多或少会带一些油膜出去，粘附在活塞杆表面。从密封效果（泄漏）角度来看，油膜越薄，密封效果会越好。但从密封件的摩擦磨损及使用寿命角度来看，一定厚度的油膜润滑，能降低摩擦力和减少磨损，提高密封件的使用寿命。所以，活塞杆密封问题，实际上是密封和摩擦磨损及润滑的矛盾，仅使用一个密封元件，很难同时达到零泄漏和低摩擦的要求。解决这一矛盾的方法之一是，将密封零泄漏和低摩擦这两个性能指标分别由两个元件来实现，即由两个元件配合起来组成所谓的密封系统（图1）。

第一道密封称为系统主密封，主密封承受系统压力。第二道密封称为系统副密封，在正常工作情况下，副密封不承受压力或只承受很低的压力。系统主密封的润滑性能应该比较好，应该能允许一定厚度的油膜通过，保证在高压工况下仍有较低的摩擦磨损。系统副密封的低压密封性能应该比较优秀，能挡住通过系统主密封的油膜，保证外泄漏为零。副密封的压力很低或没有压力，即使润滑不好，摩擦磨损仍很低。系统主密封还应具有较强的回油能力，带出的油膜能在活塞杆回程时被重新泵回系统内部，维持动态平衡，防止系统背压的形成。简单的讲，密封系统主密封和副密封通过其分工，即主密封在比较理想的润滑状态下将系统的压力降下来，副密封在低压或无压力的状况下实现对外部的零泄漏，同时实现低摩擦低磨损。 密封系统实现低摩擦和零泄漏，关键在于选择恰当的元件作主密封和副密封。如果是随意把两个元件串联起来组成密封系统，起不到预期的效果，并有“副作用”---- 即背压的形成，性能可能还不如使用单个密封件。

密封系统中主密封和副密封所起的作用不同，对其有不同的要求（图2）。主密封承受系统高压，应具有下列特性：* 耐高压，密封件的材料应该有高的机械强度。* 低摩擦磨损，密封件的材料应该有较低的摩擦系数和较高的耐磨性，密封件的设计保证它在较好的润滑工况下工作。* 回油能力强，保证带出的油膜在回程时能带回系统内部，实现动态平衡，防止背压的形成* 有泄压功能，即密封件有单向阀的功能，在系统压力较低或降为零时，万一已经形成的背压能马上降下来，防止困油现象的出现。副密封作为第二道密封，承受低压或不承受压力，主要功能是挡住通过主密封的油膜，实现零泄漏，副密封应具有下列特性： * 低压密封性能好* 低压时摩擦磨损小* 能短时间承受系统高压，即在恶劣工况下形成背压时，也能可靠地工作。* 若与双作用防尘圈一起使用时，副密封应有较好的回油能力分析由两个聚四氟乙烯同轴密封串联起来的密封系统（图3），填充聚四氟乙烯为材料的同轴密封作为主密封，它耐高压，低摩擦磨损，也有一定的回油能力，但没有泄压功能。同样的填充聚四氟乙烯同轴密封作为副密封，低压时摩擦磨损小，能承受高压，有回油能力，但低压密封性能方面有欠缺。

选择合适的密封元件组成一个理想的密封系统，是保证其使用性能和可靠性的关键。作为密封系统副密封，聚氨酯U形圈是一个理想选择（图4）。

聚氨酯U形圈的低压密封性能很好，低压工况下摩擦力也较低，聚氨酯材料本身有很高的机械强度，耐磨性很好。也有使用聚氨酯同轴密封作为副密封的设计，因为聚氨酯材料的硬度比填充聚四氟乙烯低，而且有弹性，使用效果应该比聚四氟乙烯同轴密封要好。填充聚四氟乙烯同轴密封作为系统主密封，耐压性能和摩擦磨损性能都符合要求，回油能力也好，但没有泄压功能，不能确保密封系统不出现背压和困油现象。Merkel Freudenberg 公司从1996年开始， 专门针对系统主密封的性能要求，研制开发 SYPRIM 系列密封件，用作密封系统里的主密封。SYPRIM 是英文系统主密封System Primary Seal的前几个字母的缩写。密封系统用主密封 SYPRIM

在1997年北京PTC展览会上，介绍了当时刚刚开发的新产品SYPRIM SM（图5）。这是一个带挡圈的聚氨酯密封件，它的沟槽尺寸与普通聚四氟乙烯同轴密封一致，可以完全互换。SYPRIM SM的特点是：* 耐高压，密封件带有一个聚甲醛材料的挡圈，可以承受40兆帕的压力。* 低摩擦磨损，密封件的密封唇口设计有弧度，该弧度的大小经过有限元计算优化，保证密封件始终在较好的润滑状态下工作，摩擦力低，磨损小，寿命长。* 回油能力大，台架试验证明，SYPRIM SM在所有的压力工况下，都有很好的回油能力。* 有泄压功能，在与挡圈接触的区域内设计有压力平衡沟槽，如果有背压形成，背压作用在轴向和径向的接触面上，将密封唇口开启，实现泄压功能。试验表明，只需要3 bar左右的压差就可以使密封唇口开启，开始泄压。有限元计算模拟也证实了密封件的泄压功能（图6）。

SYPRIM SM由注塑方法〔Injection Moulding〕生产，密封件的尺寸范围为40-200mm。与一般聚四氟乙烯同轴密封比较，因为没有背压和困油现象的出现，用SYPRIM SM 做主密封的密封系统的性能更加可靠，摩擦力也较低，安装更容易，更耐液压油污染。在达到一定批量时，SYPRIM SM的经济性〔成本〕要比聚四氟乙烯同轴密封好。SYPRIM SM特别适合用于中高压工程机械液压缸密封，国外许多知名的工程机械制造商，包括美国John Deere公司，早在九十年代就开始批量使用SYPRIM SM，反映使用效果很好。因为受生产方法即注塑生产的限制和成本方面的综合考虑，SYPRIM SM的尺寸范围为40 - 200mm，基本上满足了工程机械和一般工业液压缸密封的需要。但重型机械上的液压缸密封，直径往往超过200mm，需要类似SYPRIM SM 的有泄压功能的主密封，用于大型 直压式液压注塑机、大型锻压机床及重型冶金设备上主液压缸密封。为此，我们专门研制开发了大尺寸密封系统用主密封SYPRIM OMS-PR（图7），并已登记专利。SYPRIM OMS-PR 是Merkel Freudenberg公司2001年上海PTC展览会上新产品介绍的重点。

SYPRIM OMS-PR密封件具有下列特性：* 是一个聚四氟乙烯同轴密封，具有聚四氟乙烯密封件的所有特点，例如低摩擦，无低速爬行现象，使用温度范围大，和介质的相容性好，使用温度范围和介质相容性仅受其橡胶弹性元件的限制。* 工作可靠性很高，性能稳定，回油能力高，无背压和困油现象。* 能提供的密封件直径大至2000 mm，不受模具的限制，能提供任意尺寸的密封件， 最大程度上满足用户的要求。普通聚四氟乙烯同轴密封出现背压和困油后，当系统压力较低时，由于背压的原因，密封件这时反方向受压。一般密封沟槽的设计不会考虑到这种情形，密封沟槽朝系统压力一侧〔即高压一侧〕的径向间隙是设计的比较大的，密封件反方向受压时，容易出现密封件高压侧的缝隙挤出现象，造成密封件损伤。即使密封件反向受压时没有损伤，但密封性能和回油能力会受到背压的影响。普通聚四氟乙烯同轴密封的滑环的姿态对其密封性能和回油能力是有很大关系的（图8），正常工况下，沿低压方向滑环与活塞杆表面有一很小的接触角度α1，一般控制在6度以内，α1在很大程度上决定密封件的回油能力的大小。一般，角度小时回油性能好。由于背压的原因，密封件滑环的姿态发生变化，这时α1变大，密封件的回油能力降低。另一方面，因背压而引起的滑环姿态的不稳定，造成密封唇口局部变圆或变钝（图9），也会使密封性能降低。由于背压引发的滑环姿态不稳定而导致密封性能和回油能力同时降低，使背压进一步增加，形成恶性循环，密封件很快被损坏。

在开发SYPRIM OMS-PR时，通过结构设计上的优化，避免滑环的扭转，避免上述恶性 循环的产生。SYPRIM OMS-PR 滑环的前端设计有一支撑部，支撑部上有一压力平衡槽。 这样，即使出现背压和困油，滑环的姿态能保持不变，密封唇口保持锋利，保证了密封件有稳定的密封和回油性能。支撑部的几何形状通过其优化设计，使其磨损与密封唇口的磨损同步，保证密封件的密封性能和回油能力长期稳定。为了使密封件有泄压功能，在该密封件的滑环上设计有一直径很小的泄压孔。在正常工况下，系统压力将滑环推向低压一侧，滑环压紧在沟槽的侧面，泄压孔被封住。当背压大于系统压力时，由于轴向分力的作用，滑环移向系统压力一侧，泄压孔这时打开，起到泄压的作用。滑环上的小孔起到了单向阀的作用。SYPRIM OMS-PR有下列设计特点：* NBR材料的方形圈弹性元件，内侧带有圆弧。如有需求，也能提供FPM材料的弹性元件。内侧带圆弧的方形圈和O形圈相比，弹性力分布更加合理，安装和使用时不会出现扭转。* 填充聚四氟乙烯滑环，材料有青铜粉填充聚四氟乙烯PTFE B602和玻璃纤维二硫化钼 填充聚四氟乙烯PTFE GM201两种。* 滑环的几何形状经过有限元计算优化（图10），如密封唇口的位置，角度的大小及低压侧的过渡圆弧的大小等等，保证密封件有最佳的密封性能、回油性能和抗缝隙挤出性能。

* 滑环的前端设计有一支撑部，并带有轴向压力平衡槽。支撑部的主要作用是保持滑环在各种工况下的姿态稳定，保证密封性能和回油能力的稳定，也有降低密封唇口磨损的作用，使滑环本身的强度提高。支撑部的存在，使滑环的安装变得容易，因为支撑部在安装时起到辅助导向的功能，能保护密封唇口免遭损伤。在工作时，支撑部也能起到一定的挡住介质中污染的作用。* 滑环上有一泄压孔，使密封件有泄压功能，只要有1bar左右的压差，泄压孔就能起作用。密封系统不会出现长时间的背压和困油现象。用SYPRIM OMS-PR和U形圈TM 20组成的密封系统，做了如下的台架实验（图11）：

在SYPRIM OMS-PR和TM 20之间接一压力充至150 bar体积为190 cm3的液压蓄能器， 系统压力为0 - 210 bar，温度为80度，活塞杆速度为0,25 m/s，经过大约90小时后， 蓄能器里的190 cm3的液压油回到了系统内部，主密封和副密封之间的背压降为零， 密封唇口的磨损几乎为零。运行120小时后，去掉蓄能器，再运行120小时，也没有产生背压及困油现象，证明密封件仍有很好的密封性能和回油性能，90小时的背压作用，没有损坏密封件，没有破坏密封件的密封功能和回油能力。SYPRIM系列的二种产品SM和OMS-PR，使系统主密封的尺寸范围扩展到40 - 2000 mm。不管那一种型号，SYPRIM代表的是无背压和困油、带泄压功能的密封系统用主密封。无论活塞杆的直径有多大，都能提供高可靠性低摩擦零泄漏的密封系统。应用举例以下介绍各一种以SYPRIM SM和SYPRIM OMS-PR为主密封的密封系统。SYPRIM SM / T 20 / PU 5 （图12）

该密封系统由主密封SYPRIM SM，副密封聚氨酯U形圈T 20和聚氨酯防尘圈PU 5组成。整套密封系统的元件的材料都是聚氨酯材料，对密封件的安装几乎没有要求，安装容易简单，小批量安装时不需要安装工具。SYPRIM SM 做主密封， 不会出现背压和困油现象，而且摩擦力也低小。聚氨酯U形圈T 20做副密封， 低压密封性能非常好，T 20 也能承受整个系统压力，低压时摩擦磨损很低。PU 5 防尘圈 是单作用的防尘圈，防尘挡污效果很好，PU 5有一道静密封唇边， 有效地防止水汽从防尘圈的沟槽底部进入系统。这套密封系统有下列特点：* 可靠性很高，低摩擦，零泄漏* 安装容易简单，抗污染能力强* 直径范围： 40 - 200 mm* 达到批量时有较好的经济性* 特别适合用于野外作业的工程机械SYPRIM OMS-PR / TM 20 / PU 6（图13）

该密封系统由主密封SYPRIM OMS-PR，副密封聚氨酯U形圈TM 20和聚氨酯防尘圈PU 6 组成。主密封SYPRIM OMS-PR具有聚四氟乙烯同轴密封的所有特点， 加上有泄压功能，不会出现背压和困油现象，有很高的长期工作稳定性和可靠性。副密封TM 20是聚氨酯U形圈，低压密封性能很好。防尘圈PU 6 是聚氨酯单作用防尘圈， 防尘效果佳。TM 20 和大尺寸的PU 6 可以用无模具生产技术进行生产， 能较经济地生产单件小批量的特殊规格尺寸。该密封系统的尺寸可以完全配合用户的要求，其特点有：* 高可靠性低摩擦零泄漏密封系统* 直径范围：200 -2000 mm，尺寸可配合用户的要求* 特别适合用于室内作业的大型重型机械(end)

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