优化机器密封结构设计方案

1.动密封

断路器及其配用的操动机构处于长期静止状态，接到命令后要瞬时快速动作，并要求其动作可靠，速度特性稳定。反映在动密封上，就是要求它不但要密封性能良好，而且还要具有稳定的静摩擦系数、摩擦系数小、动态泄漏小这样的特点。

橡胶密封圈作为动密封不能很好的满足上述要求，存在着下述缺点：

1）静（起动）摩擦阻力大，一般为动摩擦阻力的数倍乃至十倍，因而不利于迅速起动，影响分闸速度和分闸时间。

表4-2 阀系统几种常用结构参数选取初算公式

表4-3 几种氮气储能式液压操动机构蓄能器结构参数的选取初算公式

2）静（起动）摩擦阻力随时间的延长而加大。原因是动密封结构从有油润滑状态转为无油润滑的干摩擦状态，而这种摩擦状态的转换对静摩擦阻力的影响是相当大的，可使静摩擦阻力增加数倍。故静止一段时间后初次动作摩擦阻力变化范围很大，造成起动阻力变化大，而使断路器的分闸时间及合闸时间不稳定，影响分、合闸的同期性。

表4-4 碟簧组合形式及计算公式

表4-5 几种弹簧储能式液压操动机构蓄能器结构参数的选取初算公式

（续）

3）在高速运动、干摩擦的工作条件下，极易造成密封部位的局部过热而引起密封圈烧坏或加速其本身的老化失效而影响密封性能。

4）由于橡胶密封圈结构的限制，活塞与缸体间加抗磨圈难度较大，结构较复杂，一般都不采用。活塞与缸体这对摩擦副为刚性直接接触，极易拉伤研缸，影响寿命及可靠性。

填充聚四氟乙烯（以下简称填充F4）组合密封圈结构，如图4-6所示。它由密封圈和弹性预压圈组合而成。密封圈是起主要密封作用的基本密封件，由填充F4材料制成。弹性预压圈既是储能元件又是辅助密封件，由具有弹性的橡胶材料制成截面为各种形状的环形圈，其作用是使密封圈得到一定的密封预压力并防止从密封圈的背面泄漏工作介质。填充F4组合密封圈的工作原理就是利用弹性橡胶圈自身受拉伸或压缩和受外压时的“储能”作用（弹性形变）所产生的径向力使填充F4圈发生弹性变形紧贴液压缸内壁或活塞缸表面来防止泄漏工作介质，起到密封作用。这种组合应用使这两种材料都能扬长避短，各尽其能。

图4-6

a）矩形圆柱面组合密封圈 b）阶梯面组合密封圈 c）帽形圆柱面组合密封圈 d）Z形组合防尘圈 e）活塞动密封组合结构 f）活塞杆动密封组合结构

填充F4组合密封圈的静、动摩擦系数小（约为0.04），它的静摩擦系数小于或等于动摩擦系数，并且因为其有自润滑性所以长期静止后首次动作的静（起动）摩擦阻力基本不上升。这种动密封结构具有橡胶动密封圈结构所不可比拟的综合性能：密封效果好、结构紧凑、无粘附倾向、起动平稳、无爬行、寿命长，特别适用于断路器长期静止后快速起动、高速换向不用润滑的运行工作场合。

设计动密封时首先要根据工作压力、使用环境温度、密封部位要求及密封面的相对运动速度等因素来选择合适的密封形式和材料，低摩擦填充聚四氟乙烯组合动密封结构（见表4-6）是用于液压机构的理想选择。这种结构在今天作为动密封结构已得到了广泛的推广应用，有进口的或国产的标准产品可供选择。

表4-6 低摩擦填充聚四氟乙烯组合动密封结构简介及参数选取

2.静密封

常用静密封有两种形式：端面密封和轴向密封。这两种形式都可采用O形圈（我国用于液压气动的O形圈标准GB 3452.1—92）密封，由橡胶材料制成的O形圈和金属制成的密封沟槽组合成了O形圈密封，压缩量可取20%～25%。O形圈密封原理示意如图4-7所示。O形圈具有使用压力范围大、温度范围大、占用空间小，重量轻的特点。在静密封状态下正确使用时，几乎可达零泄漏，寿命可达到O形圈材料老化期。

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图4-7 O形圈密封原理示意

O形圈材料选择必须根据具体应用从多方面考虑：如被密封介质的相容性、使用的压力和温度等主要因素。液压机构中使用的工作介质为10#航空液压油，O形圈材料可用丁晴橡胶（NBR），它与10#航空液压油有良好的相容性。使用的压力和温度因素决定了胶料的硬度，常用材料为丁晴橡胶（NBR），邵氏硬度为70～75，使用温度范围为-30～100℃，压力范围结合挡圈的正确使用可至100MPa。低温使用时要选择耐低温丁晴橡胶，注意胶料的适用范围。

O形圈密封结构设计时一定要注意：

安装过程不能损伤O形圈，静密封失效的原因之一是O形圈在装配过程中造成损坏。除了具体操作时要注意以外，结构设计时要有合适的倒角，倒角的导向宽度（Z）见表4-7。

表4-7 倒角的导向宽度

注：导向面及倒圆处表面粗糙度：R_Z≤4.0μm，R_a≤0.8μm。

1）要尽量避免下述错误（见图4-8）。

图4-8

a）轴杆导向结构 b）缸壁导向结构 c）交孔导向结构 d）端面密封结构

2）挡圈的选取应用：挡圈主要是用来弥补密封间隙的，当压力大于10MPa时，根据压力高低选择合适的挡圈材料和形式（按挡圈材料有聚四氟乙烯纯料、添加玻璃纤维或青铜粉或碳纤维的，还有硬度较大的丁晴橡胶；按挡圈形式分有弧形和矩形，切口和不切口的），根据介质流动方向选择合适的结构形式（单边或双边设置）。挡圈结构及形式如图4-9所示。

图4-9

a）挡圈结构 b）挡圈形式

3.密封圈的安装

分为活塞杆密封和活塞密封两大类。

（1）活塞杆密封圈的安装方法及步骤

1）先将O形圈擦净后直接装入沟槽，再将阶梯面密封圈或防尘圈擦净后用手捏成心形装入沟槽，用手捋圆。

2）最后将复位校正工具装入固定8h，使其完全复位。复位校正工具可由滑动特性良好的聚合材料如聚酰胺制成，表面粗糙度R_a≤0.8μm，活塞杆密封圈的安装方法如图4-10所示。

（2）活塞密封圈的安装方法及步骤

1）先将O形圈擦净后直接装入沟槽，再将密封圈（可为圆柱面或阶梯面）擦净后放入10#航空液压油中加热到80～100℃，取出后迅速放在导套上用推涨套压入沟槽中。

2）最后将复位套装入固定8h，使其完全复位。导套或推涨套由滑动特性良好的聚合材料如聚酰胺制成，复位套可由金属制成（内表面涂10#航空液压油润滑），表面粗糙度R_a≤0.8μm，活塞密封圈的安装方法如图4-11所示。

图4-10 活塞杆密封圈的安装方法

图4-11 活塞密封圈的安装方法