弹性蓄能密封圈结构优化设计及验证.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期润滑与密封 :文献引用:熊佳慧,王凤彪,施华,等弹性蓄能密封圈结构优化设计及验证润滑与密封,():,():基金项目:辽宁省自然科学基金项目();辽宁省教育厅基金项目(面上重点项目)();教育部重点实验室项目()收稿日期:;修回日期:作者简介:熊佳慧(),女,硕士研究生,研究方向为军用难加工材料与复合材料高效精密加工。:。弹性蓄能密封圈结构优化设计及验证熊佳慧 王凤彪 施 华 辛增凯(沈阳理工大学机械工程学院 辽宁沈阳;中航工业宜宾三江机械有限责任公司 四川宜宾)摘要:以 系列弹性蓄能密封圈为参考,提出密封夹套和与密封沟槽配合尺寸设计方法,并对弹性蓄能密封圈的结构进行优化,
2、设计外唇面带有 斜面的弹性蓄能密封圈 和外唇面为圆弧面的弹性蓄能密封圈。设计实验从正反向摩擦力和密封性 个方面对两款弹性蓄能密封圈进行性能验证,并且与 系列中同规格密封圈性能进行对比。结果表明:蓄能密封圈很大程度上提升了密封性能并且其抗摩擦性能也没有大幅下降,而 蓄能密封圈提升了抗摩擦性能,且密封性基本与 蓄能密封圈相当。因此,蓄能密封圈更适用于对密封性要求更高的场合,蓄能密封圈更适用于对抗摩擦性要求更高的场合。关键词:密封夹套;密封沟槽;配合尺寸;密封性能;抗摩擦性中图分类号:(,;,):,:;密封件作为机械基础零部件,对于机械运行设备有至关重要的作用。随着我国机械、石油、化工装备技术以及航
3、空航天技术的发展,对密封件提出了愈来愈高的要求,传统的橡胶 形密封圈已不能满足低摩擦、抗 化 学 性、长 寿 命,良 好 的 密 封 性 的 要求。因此,新型密封技术 蓄能密封技术(也称为泛塞密封技术)已广泛应用于各类机械工程结构中。例如国际上先进的 高功能弹簧蓄能密封圈己被广泛应用于耐久性、抗化学性和极限工作温度等要求极高的场合。密封圈可以减小摩擦,可在苛刻环境下保证密封性,从而保证设备安全运作和减少设备检修停工时间。圣戈班 系列密封圈可用于往复式机械动密封中,能在 压力范围下稳定工作。本文作者以该系列密封圈结构为参考,提出了密封夹套和与密封沟槽配合尺寸设计方法,总结归纳出密封夹套的设计准则
4、,并且设计了两款弹性蓄能密封圈并对其进行性能试验验证。弹性蓄能密封圈工作原理如图 所示,弹性蓄能密封圈是一个带有聚四氟乙烯(或其他高分子复合材料)夹套的压力辅助密封装置,其中特别装备了一个耐腐蚀的金属蓄能弹簧。当弹性蓄能密封圈装在密封沟槽内,弹簧受压促使夹套唇边紧贴密封沟槽,由此形成密封。弹簧给密封夹套提供永久弹力,并弥补材料磨损及配合零件的偏移或偏心;系统压力也会辅助密封夹套蓄能,无论在高压或低压下,都可实现有效密封。图 弹性蓄能密封圈工作原理示意 密封夹套与密封沟槽配合尺寸设计方法在轴线方向,弹性蓄能密封圈同一截面内的弹簧和密封夹套、密封夹套与轴之间的关联配合尺寸,会影响与之配合的轴、孔零
5、件的预压缩量和预紧力,从而影响密封性能。鉴于此,在三维设计软件中,使用参数化设计技术,利用函数建立驱动关系,建立密封夹套和蓄能器在轴线方向同一截面内的关联配合尺寸,能保证设计的效率和准确性,确保快速适应不同密封尺寸的要求。配合标准的数据关系到产品的性能,该数据的获取需要依据用户常用的密封尺寸做大量的试验。以径向阀门弹性蓄能密封圈为例,试验时密封圈与安装结构的尺寸配合数据可参照国外类似密封圈的设计数据,以常用结构尺寸为数学期望,密封圈的配合尺寸为随机变量,服从期望为 的正态分布。由于有参照数据,通过测绘即可大致得到可行区域,在可行区域内取较小的标准差 进行试验。目前国内已具备比较完善的弹性蓄能密
6、封圈选型指南,由上海阜景密封技术有限公司编写,可根据有密封需求产品的活塞直径参照如表 所示的沟槽尺寸开槽,进一步在选型指南上选择合适的弹性蓄能密封圈。如图 所示,弹性蓄能密封圈的安装沟槽建议使用开放式沟槽。若用户所需安装尺寸在此范围以外,可联系专业厂家进行量身定制。表 密封圈安装沟槽尺寸单位:活塞直径 沟槽直径 沟槽宽度 倒圆 径向间隙 图 活塞密封沟槽示意 弹性蓄能密封圈的结构设计对于弹性蓄能密封圈而言需要确定的主要尺寸为夹套的内径、外径以及高度。夹套外径一般比需要密封活塞的直径略大一些,需保证单边压缩量在 左右;夹套内径一般比需要密封活塞的沟槽直径略小一些,需保证单边拉伸量在 左右;夹套的
7、高度一般与沟槽宽度保持一致;其他参数尺寸例如润滑与密封第 卷夹套的壁厚、内腔倒圆、蓄能弹簧直径、预压缩量等则需按具体工况以及装配要求而确定。夹套设计准则根据工况和使用压力来确定夹套的壁厚。工作介质干净且无润滑油(装配时涂抹润滑脂),同时工作压力在 以下时,建议壁厚为 ,该种工况下夹套已经通过 万次高低温寿命验证,性能可靠。在有润滑油的工况下,壁厚可适当减薄(壁越薄密封性能越好,但使用寿命会降低),但壁厚一般不可低于 。密封夹套的内径与安装轴的配合需保证单边拉伸量在 左右,密封夹套的外径与安装轴的配合需保证单边压缩量在 左右。密封夹套的高度 ()应符合如下公式:式中:为底部密封夹套支撑部分的高度
8、;为蓄能弹簧的直径();为顶部密封夹套高出蓄能弹簧的高度。当工作压力为 时,壁厚需在 基础上适当增加,当壁厚超过 后,则不能使用凸台安装结构,只能采用直筒安装结构,用挡圈进行定位。夹套设计密封面是由密封元件相互接触形成阻碍密封介质发生泄漏的面,密封接触面宽度即为形成这种密封面的有效长度。通常密封接触面宽度越大,介质越不容易发生泄漏。根据前文夹套设计准则,设计了两款密封夹套 和,如图 和图 所示。这两款夹套的区别主要体现外唇的形状尺寸上,其中 对外唇面的结构进行了优化,优化后外唇面带有 的斜面。该夹套在工作时能够增大与密封腔内壁的接触面宽度从而达到提升密封性能的效果,并且夹套外唇厚度也相对增加,
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