作者：張付英 劉卉 張林靜
現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，密封技術(shù)起著舉足輕重的作用，它是液壓和氣壓系統(tǒng)性能得以保證的關(guān)鍵。密封失效，不僅大幅度增加了后續(xù)維修成本，還可導(dǎo)致致命的災(zāi)難，如美國(guó)挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)發(fā)射爆炸，就是由于密封失效引起的。液壓往復(fù)密封技術(shù)是建立在密封偶合面的潤(rùn)滑、摩擦、磨損、傳熱、材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理之上，是液壓系統(tǒng)中使用條件復(fù)雜，對(duì)密封裝置要求較高的動(dòng)密封。本文作者通過(guò)對(duì)液壓往復(fù)密封原理、密封關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)計(jì)方法、密封結(jié)構(gòu)型式和應(yīng)用的進(jìn)展研究，提出未來(lái)往復(fù)密封技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和研究熱點(diǎn)。 1 .液壓往復(fù)密封理論的進(jìn)展 液壓往復(fù)密封理論實(shí)質(zhì)上是研究相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的相互作用。自20世紀(jì)70年代新興邊緣學(xué)科——摩擦、磨損和潤(rùn)滑學(xué)的出現(xiàn)，才將密封裝置作為一個(gè)系統(tǒng)加以研究，使柔性（橡膠）與剛性表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)，比兩個(gè)剛性表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)的研究，出現(xiàn)了更新、更復(fù)雜的內(nèi)容，從而也大大豐富了動(dòng)態(tài)密封理論。 1.1 密封偶合面的摩擦、磨損與潤(rùn)滑 1.1.1 密封偶合面間的摩擦狀態(tài) 相互接觸的往復(fù)密封偶合面間有干摩擦、 邊界摩擦、混合摩擦和流體摩擦4種狀態(tài)。 （1）干摩擦是指密封偶合面沒(méi)有任何潤(rùn)滑劑或保護(hù)膜的密封件與被密封面接觸時(shí)的摩擦，在實(shí)際往復(fù)密封中，不存在真正的干摩擦。 （2）邊界摩擦是指密封偶合面被吸附在表面的邊界膜隔開(kāi)，摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面的吸附性能時(shí)的摩擦。 （3）流體摩擦是指密封偶合面被流體膜隔開(kāi)，摩擦性質(zhì)取決于流體內(nèi)部分子間粘性阻力的摩擦。 （4）混合摩擦是指密封偶合面處于邊界摩擦與流體摩擦的混合狀態(tài)時(shí)的摩擦。 往復(fù)密封停止運(yùn)動(dòng)停留較長(zhǎng)時(shí)間，重新啟動(dòng)時(shí)會(huì)逼近干摩擦狀態(tài)。靜止時(shí)，潤(rùn)滑油膜在接觸壓力的作用下，被擠成厚度很小的薄膜，此時(shí)間隙之間的油膜不完整，處于邊界摩擦狀態(tài)。隨著相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的提高，油液運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)力使油膜厚度增加，形成流體摩擦。由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)表面相對(duì)速度和密封壓力變化范圍很廣，因此混合摩擦狀態(tài)也是不可避免的。 1.1.2 密封偶合面間的磨損 密封偶合面間的摩擦將導(dǎo)致密封元件材料的逐漸喪失或遷移，即形成密封件的磨損。在密封偶合面間加入潤(rùn)滑劑可降低摩擦，減輕磨損。密封磨損與被密封面的加工精度和密封摩擦表面的粗糙度紋理形狀有關(guān)。 1.1.3 密封偶合面間的潤(rùn)滑 在往復(fù)密封中，密封偶合面的潤(rùn)滑對(duì)于其密封性能與壽命起決定作用。為保證往復(fù)密封的良好的運(yùn)動(dòng)特性和一定的使用壽命，密封偶合間不允許出現(xiàn)干摩擦。邊界摩擦、混合摩擦和流體摩擦都必須滿足一定的潤(rùn)滑條件，相應(yīng)的潤(rùn)滑狀態(tài)分別為邊界潤(rùn)滑、混合潤(rùn)滑和流體潤(rùn)滑。有2種方法來(lái)判斷密封偶合面間的潤(rùn)滑狀態(tài)。
方法1:根據(jù)圖1所示的摩擦特性系數(shù)μv/Pm及相應(yīng)的摩擦特性曲線來(lái)判斷。v為相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，μ是潤(rùn)滑油的動(dòng)力粘度，Pm為平均負(fù)載壓力。 方法2：通過(guò)膜厚比來(lái)判別。
式中hmin為密封偶合面間的Z小公稱油膜厚度,μm;Rq1、Rq2分別為密封偶合面輪廓的均方根偏差。 （1）邊界潤(rùn)滑: λ≤1時(shí)密封偶合面呈邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。邊界潤(rùn)滑的膜厚為0.005~0.1μm摩擦因數(shù)為0.08~0.14，相對(duì)速度較低。邊界潤(rùn)滑時(shí)，密封偶合表面的粗糙度之和一般都超過(guò)邊界膜的厚度，所以邊界摩擦不能完全避免密封偶合面的直接接觸，吸附在密封偶合面的邊界薄膜承擔(dān)大部分載荷。邊界膜強(qiáng)度受密封偶合面的相對(duì)速度、流體粘度、接觸壓力、材料特性、表面粗糙度、溫度等因素的影響。 （2）混合潤(rùn)滑1≤λ≤3時(shí)的密封偶合面處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)?；旌蠞?rùn)滑時(shí)的膜厚為0.01~0.1μm摩擦因數(shù)為0.02~0.08表面相對(duì)速度略有增加?；旌蠞?rùn)滑時(shí)，隨潤(rùn)滑膜厚度的增大，表面輪廓直接接觸的數(shù)量減小，潤(rùn)滑膜的承載比例也隨之增加。 （3）流體潤(rùn)滑：λ≥3時(shí)的密封偶合面形成完全的流體潤(rùn)滑狀態(tài)。流體潤(rùn)滑時(shí)的潤(rùn)滑油膜厚度大到足以將兩個(gè)表面的輪廓峰完全隔開(kāi)，膜厚為0.25~2.5μm摩擦因數(shù)為0.001~0.008，表面相對(duì)速度較高。流體潤(rùn)滑時(shí)，潤(rùn)滑劑中的分子大都不受密封偶合面吸附作用的支配而自由移動(dòng)，不會(huì)有磨損產(chǎn)生，是理想的潤(rùn)滑狀態(tài)。 由于無(wú)論是從膜厚還是從摩擦特性來(lái)說(shuō)，在彈流潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑之間還是一個(gè)空白區(qū)，而混合潤(rùn)滑只是描述了各種潤(rùn)滑狀態(tài)共存時(shí)的潤(rùn)滑性能，并不具備基本的、獨(dú)立的潤(rùn)滑機(jī)制。因此，近些年來(lái)提出了介于彈流潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑之間的薄膜潤(rùn)滑。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，摩擦學(xué)研究已深入到微觀研究領(lǐng)域，形成了微-納米摩擦學(xué)理論，如超潤(rùn)滑概念。從理論上講，超潤(rùn)滑是實(shí)現(xiàn)摩擦因數(shù)為零的潤(rùn)滑狀態(tài)，但在實(shí)際研究中，一般認(rèn)為摩擦因數(shù)在0.001量級(jí)（或更低）的潤(rùn)滑狀態(tài)即為超潤(rùn)滑狀態(tài)。 對(duì)往復(fù)密封來(lái)說(shuō)，流體潤(rùn)滑使密封摩擦面間的摩擦力迅速降低，磨損Z小，是一種理想的潤(rùn)滑狀態(tài)。 1.2 液壓往復(fù)密封機(jī)制 液壓往復(fù)密封機(jī)制受密封偶合面間的液壓流體行為支配。圍繞這一問(wèn)題，不同學(xué)者從不同的角度進(jìn)行了大量的研究，并提出了很多動(dòng)態(tài)密封理論，下面介紹幾種典型的液壓往復(fù)密封理論。 1.2.1 液體表面張力理論 密封裝置主要密封某種流體, 而流體具有表面張力。密封件與軸的間隙形成的液膜，就是表面張力造成的。EJJagger認(rèn)為：液體表面張力造成的潤(rùn)滑液膜，由于流體的潤(rùn)滑性和毛細(xì)管作用，會(huì)使流體滲入密封間隙。在與空氣交界面上形成彎曲的一面，表面張力會(huì)阻止流體通過(guò)間隙漏出。介質(zhì)壓力與密封間隙成反比： p=2σ/h 式中σ為表面張力;p為介質(zhì)壓力;h為密封間隙。依靠油膜的表面張力，潤(rùn)滑劑保持在一定位置上，形成一道密封屏障。在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，油膜厚度隨摩擦偶合面的相對(duì)速度、流體粘度、接觸面壓力等許多因素的影響而改變。 1.2.2 邊界潤(rùn)滑理論 這是用來(lái)說(shuō)明密封失效機(jī)制的理論，認(rèn)為密封件與軸接觸時(shí)，有邊界潤(rùn)滑、流體潤(rùn)滑和混合潤(rùn)滑3種潤(rùn)滑狀態(tài)。很多學(xué)者認(rèn)為，往復(fù)密封是在流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)下密封。 1.2.3 流體動(dòng)力密封理論 浮動(dòng)在流體膜上的聚合體密封配合表面與表面當(dāng)作剛性體的流體動(dòng)壓密封不同，其特性像被界面膜流體壓力局部支撐的隔膜。因此，膜形狀的預(yù)測(cè)建立在反向流體動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)上，可用雷諾方程來(lái)處理。
式中u0為活塞外行程時(shí)的速度；P0為內(nèi)部壓力；h(x)為可變膜的高度；為液膜中的可變壓力；η為間隙內(nèi)的流體的粘度；h0*為Z大壓力處的膜高。 假定h在某一取值時(shí)使|dp/dx|達(dá)到Z大,為此將式(1)對(duì)h求導(dǎo)并令其為0,可得h0*=2/3h,將此代入式(1)得:
因此,縫隙間流體流量可由油膜厚度求得,流體的泄漏由|dp/dx|支配。 如果以往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞桿密封為例，假定活塞桿直徑為d,則粘附在外行程桿上液體的體積流量為:
式中：ui為內(nèi)行程的速度；Pi為內(nèi)行程時(shí)液體壓力；hi*為內(nèi)行程時(shí)Z大壓力處的膜高。 若活塞桿以等速u(mài)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞桿行程為H，一個(gè)周期t內(nèi)包括外行程t/2和內(nèi)行程t/2,外行程油液向外泄漏,流量為V0：內(nèi)行程油液被帶入，流量為Vi,則一個(gè)周期內(nèi)油液凈泄漏量為：
因此，油液不發(fā)生外泄漏的條件是：
由于密封件的結(jié)構(gòu)形狀和材料與變形有關(guān)，而變形又會(huì)影響油膜壓力。因此，合理設(shè)計(jì)密封形狀與預(yù)壓力的施加位置，可改善密封件的密封與摩擦性能。 2 .液壓往復(fù)密封的發(fā)展與應(yīng)用 2.1 液壓往復(fù)密封的設(shè)計(jì)方法 用于液壓往復(fù)密封的都是接觸型密封，需要密封件通過(guò)彈性變形跟隨滑動(dòng)表面因粗糙度、形狀公差、波紋度引起的密封間隙變化，或因負(fù)載變化使活塞（或活塞桿）與缸套變形而產(chǎn)生的密封間隙變化，以阻塞泄漏通道。橡膠密封件因較好的回彈性而作為往復(fù)密封的主要密封元件。為使式（7）總能成立，用于往復(fù)密封的橡膠密封件應(yīng)設(shè)計(jì)成不同的截面形狀。然而，彈性好的橡膠密封件往往耐磨性較差，為此新型組合密封，包括結(jié)構(gòu)和材料的組合密封件成為往復(fù)密封的主要密封形式。 2.1.1 不同截面形狀的彈性體密封 O型密封圈因結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸小，具有預(yù)密封效果和自密封作用及磨損后自動(dòng)補(bǔ)償能力，在液壓往復(fù)密封中得到廣泛應(yīng)用。但在高壓、高溫工作條件下，O型圈往往因間隙咬傷和運(yùn)動(dòng)時(shí)的扭曲而產(chǎn)生失效。因此，通過(guò)截面形狀的改變改善O型密封圈的某些性能。圖2所示的O型、三角型、X型、異型、H型和Y型截面密封圈等可適用于不同的介質(zhì)壓力和運(yùn)動(dòng)速度。
三角型密封圈以很小的摩擦接觸面積，提供良好的溝槽接觸面積，以保持穩(wěn)定；型密封圈以均勻分布的接觸應(yīng)力，減小泄漏；異型密封圈可防止往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的翻轉(zhuǎn)和扭曲；H型密封圈能適應(yīng)介質(zhì)工作壓力而改變接觸壓力，獲得良好的密封性能；Y型密封圈因具有自封作用，可密封高壓介質(zhì)且具有較好的綜合密封性能。 2.1.2 結(jié)構(gòu)上的組合密封
由于往復(fù)密封所需的密封性和耐磨性難以在一個(gè)密封件上同時(shí)具備，因此20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的組合密封在往復(fù)密封中得到迅速應(yīng)用。組合密封的密封功能由彈性橡膠密封件或彈簧完成，而耐磨性能由填充PTFE或增強(qiáng)聚胺脂來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖3所示為典型的組合密封型式。 2.1.3 材料上的組合密封 為了獲得各種性能的密封材料，往往在一種基體材料中加入各種成份。如在填充PTFE中加入MoS2添加劑增加剛性硬度和耐磨性,加入石墨改善尺寸穩(wěn)定性和耐磨性,加入青銅提高耐壓性、加強(qiáng)散熱性，加入玻璃纖維改變拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、壓縮變形和韌性；用PTFE包覆橡膠密封圈改善密封的耐化學(xué)藥品的性能等。 2.1.4 串聯(lián)密封
圖4 串聯(lián)密封
原則上，許多類型的密封可組合成串聯(lián)形式。串聯(lián)密封中，密封通過(guò)獨(dú)立支撐，每個(gè)密封的密封堤相互分開(kāi)，如圖4所示。串聯(lián)密封可提高動(dòng)態(tài)密封性能，且摩擦力低于單個(gè)密封的摩擦力。串聯(lián)密封正確發(fā)揮作用的條件是兩個(gè)密封都必須具有非對(duì)稱壓力分布。 2.1.5 可調(diào)節(jié)密封 液壓技術(shù)的高速發(fā)展，不但對(duì)密封件的數(shù)量要求成倍增加，而且對(duì)質(zhì)量、可調(diào)節(jié)和可控方面提出更高的要求。近幾年出現(xiàn)的如圖5所示的可調(diào)節(jié)密封就是為了滿足這種需求而產(chǎn)生的。
2.2 液壓往復(fù)密封的應(yīng)用 目前，在往復(fù)密封中，O型密封圈已很少單獨(dú)使用，主要使用組合密封件。Y型和H型密封圈在許多往復(fù)密封場(chǎng)合中廣泛采用。 在高負(fù)荷密封界面潤(rùn)滑不充分的情況下，常導(dǎo)致局部過(guò)熱、磨損和粘滑，可使用具有低附著力并可能具有微觀凹坑的密封界面。在液壓缸中，由于活塞桿伸出元件外部，因此要嚴(yán)格阻止油液泄漏，污染環(huán)境，又要防止外部水、氣和雜質(zhì)侵入元件，為避免動(dòng)態(tài)泄漏，可使用串聯(lián)密封，如由兩個(gè)PTFE同軸密封和一個(gè)PTFE雙刮油密封組成液壓缸活塞桿密封。活塞密封的兩邊都有液壓油，密封間隙中一般為流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，可通過(guò)被增能的矩形截面PTFE密封環(huán)來(lái)密封，且用PTFE材料制成的附加外側(cè)軸承環(huán)保護(hù)活塞不受磨損顆粒侵害。 3 .液壓往復(fù)密封技術(shù)的進(jìn)展研究 液壓往復(fù)密封技術(shù)的進(jìn)展研究就是從宏觀上總結(jié)往復(fù)密封技術(shù)的發(fā)展歷程，從微觀上分析往復(fù)密封技術(shù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)化特點(diǎn)，并為新型往復(fù)密封技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供設(shè)計(jì)思路。 文獻(xiàn)利用TRIZ(The Theory of Inventive Problem Solving)技術(shù)進(jìn)化理論,根據(jù)不同時(shí)期液壓往復(fù)密封的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)型式和可控性對(duì)密封性能和耐磨性能的定量分析，對(duì)當(dāng)前液壓往復(fù)密封技術(shù)的進(jìn)化曲線進(jìn)行了研究，并指出液壓往復(fù)密封技術(shù)仍處于其生命周期的生長(zhǎng)期。文獻(xiàn)通過(guò)對(duì)液壓往復(fù)密封的進(jìn)化狀態(tài)分析，系統(tǒng)地歸納和總結(jié)了液壓往復(fù)密封的11條進(jìn)化路線，并畫(huà)出了液壓往復(fù)密封的進(jìn)化潛能圖，確定了未來(lái)往復(fù)密封技術(shù)的開(kāi)發(fā)方向。 4. 液壓往復(fù)密封的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì) 通過(guò)液壓往復(fù)密封的密封機(jī)制、設(shè)計(jì)方法、應(yīng)用和技術(shù)的進(jìn)展分析及研究，確定未來(lái)液壓往復(fù)密封的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)為： （1）密封性能和耐磨性的進(jìn)一步提高。從液壓往復(fù)密封技術(shù)的進(jìn)化曲線看，未來(lái)密封件往復(fù)密封技術(shù)的發(fā)展是在不改變現(xiàn)有密封原理的情況下，致力于對(duì)密封件結(jié)構(gòu)、材料和型式的改進(jìn)來(lái)提高其密封性能和耐磨性能。 （2）增加往復(fù)密封的可控性。通過(guò)結(jié)構(gòu)和材料的進(jìn)一步分離，實(shí)現(xiàn)良好的密封和耐磨功能。 （3）充分利用系統(tǒng)內(nèi)部資源提高密封性能。通過(guò)設(shè)計(jì)新型的密封結(jié)構(gòu)形式，利用被密封液體資源提高密封的可靠性和耐磨性。 （4）密封與耐磨功能的集成。串聯(lián)密封雖然可提高密封性能，但增大了結(jié)構(gòu)尺寸。因此，結(jié)構(gòu)緊湊的集密封與耐磨功能于一體的新型密封是未來(lái)往復(fù)密封設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。 （5）通過(guò)對(duì)往復(fù)密封件的有限元分析，模擬密封件在液壓力和預(yù)壓縮力作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布，合理設(shè)計(jì)密封圈的截面形狀。(佳工機(jī)電網(wǎng))
