摘 要：從Y型密封圈的密封原理出發(fā)，研究了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作環(huán)境的關(guān)系。通過(guò)分析密封圈的使用環(huán)境條件，設(shè)計(jì)出了滿足使用要求且性能可靠的Y型密封圈;通過(guò)實(shí)例證實(shí)了所提出的設(shè)計(jì)理論。
關(guān)鍵詞：Y型密封圈;密封原理;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
在大型工程機(jī)械上，Y型密封圈常常用于液壓油缸或氣動(dòng)缸，僅起單向密封作用，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)有內(nèi)唇A和外唇B(見(jiàn)圖1)為獲得較佳初始密封效果，工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)應(yīng)在其內(nèi)、外唇口留有一定的過(guò)盈量(見(jiàn)圖2)。裝入工作溝槽后，密封圈兩唇口僅與滑動(dòng)表面、溝槽徑部接觸，產(chǎn)生一定量的預(yù)應(yīng)力，起到密封作用(見(jiàn)圖3)。工作時(shí)，在液壓力作用下密封唇口在其圓周方向產(chǎn)生變形，完全貼合在活塞桿表面和缸體配合表面，起密封作用。
圖1 產(chǎn)品示意結(jié)構(gòu)
圖2 裝配前的過(guò)盈量
圖3 裝配后接觸壓力分布
2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Y型密封圈的設(shè)計(jì)與其工作壓力相關(guān)，設(shè)計(jì)參數(shù)隨工作壓力的不同需作相應(yīng)調(diào)整。Y型密封圈設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括，唇口過(guò)盈量、唇口厚度a，外唇與缸體或內(nèi)唇與活塞桿夾角A、根部尺寸、以及內(nèi)外兩唇夾角B(見(jiàn)圖4)。
圖4 產(chǎn)品斷面結(jié)構(gòu)圖
2.1 唇口尺寸的優(yōu)化
Y型密封圈安裝之后，其唇口密封部位與接觸界面有一定的過(guò)盈量，產(chǎn)生初始密封力，達(dá)到密封效果(見(jiàn)圖4)。初始過(guò)盈量過(guò)大將導(dǎo)致密封唇口與活動(dòng)接觸面間的摩擦力增大，唇口部位易磨損，密封圈使用壽命縮短;初始過(guò)盈量過(guò)小，密封唇口與活動(dòng)接觸面間的預(yù)緊力小，密封效果不理想，甚至不能滿足高壓密封。工作壓力較小時(shí)，可以認(rèn)為產(chǎn)品是在無(wú)壓狀態(tài)下使用，此時(shí)的密封力僅為密封唇口與活動(dòng)接觸面的接觸預(yù)緊力;壓力較高時(shí)，不僅要考慮密封唇口的過(guò)盈尺寸，而且還要考慮其相應(yīng)增大的厚度尺寸，以便提高密封唇口的抗彎曲能力。Y型密封圈的密封唇口可采用模壓成型或機(jī)械切割方式成型。唇口尺寸較小或者尺寸特別大時(shí)，一般采用模壓成型。采用切削加工方式切削唇口時(shí)，需用專門胎具，且多一道工序，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。
2.2 內(nèi)唇與活塞或外唇與缸體夾角的確定
內(nèi)唇與活塞或外唇與缸體夾角(見(jiàn)圖4)的大小直接影響著密封唇口與其相應(yīng)接觸面的接觸面積的大小。夾角越大，密封唇口與其相應(yīng)接觸面的接觸面積越小，這對(duì)低壓密封效果影響不大，但對(duì)高壓密封效果會(huì)有影響;夾角較小時(shí)，密封唇口與其活動(dòng)接觸面的接觸面積較大，隨著工作壓力的增大，密封唇口因擴(kuò)張而產(chǎn)生的過(guò)盈力增大，有利于密封，但會(huì)增大摩擦力，接觸面磨損加劇，影響產(chǎn)品使用壽命。在滿足工作壓力的條件下，選擇合適的角度值，能獲得良好的密封效果，并能有效延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。關(guān)于該角度的合理取值，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析，見(jiàn)圖5。
圖5 唇口力學(xué)分析
根據(jù)圖5受力分析，將產(chǎn)品密封唇口按彈性力學(xué)處理，材料的力學(xué)性能滿足虎克定律。密封壓力F垂直于密封唇口切線，應(yīng)符合以下公式：
Fx=F·cosA
Fy=F·sin A
通過(guò)力學(xué)分析得知，活動(dòng)接觸面向上的力不能小于Y向分力Fy，即：
F·cos A·f≥F·sinA
F-預(yù)緊力(作用方向與唇口方向垂直);
f-密封唇口與活動(dòng)接觸面的摩擦系數(shù)。
得出A=arctgf，也就是說(shuō)，角度A的選值與活動(dòng)接觸面的摩擦系數(shù)的大小有關(guān) 金屬與橡膠的摩擦系數(shù)一般為0.3~0.4，由此得知A值在16.7度到22度之間。
2.3 唇口頂角B的優(yōu)化
當(dāng)a值一定時(shí)，密封圈頂角B(見(jiàn)圖4)取值越大，受壓時(shí)唇口密封部位越易產(chǎn)生較大彈性變形，由此產(chǎn)生的初始密封力也就越大，這對(duì)低壓密封非常合適;隨著工作壓力的不斷增大，頂角B應(yīng)當(dāng)適當(dāng)變小，可提高密封唇口的抗壓能力，頂角B的取值一般在50度到60度之間。
2.4 根部尺寸的優(yōu)化
Y型密封圈受壓時(shí)，其根部形狀會(huì)出現(xiàn)壓縮變形，導(dǎo)致寬度尺寸變大，高度變小，工作壓力不同時(shí)，密封圈根部寬度距缸體或活塞間隙g(半徑間隙，見(jiàn)圖6)取值大小與其使用壽命密切相關(guān);若擠出間隙對(duì)于工作壓力來(lái)說(shuō)取值過(guò)大，密封件根部可能因自身受壓而損壞 (見(jiàn)圖7)關(guān)于擠出間隙g的選擇應(yīng)當(dāng)參考圖9進(jìn)行。根部高度的選擇應(yīng)參考HG4—335—66進(jìn)行。
圖6 擠出間隙示意圖
圖7 跟部擠壓受損示意圖
除此之外，在一些壓力較高的密封場(chǎng)合，即使擠出間隙的選擇較為合理，但也較難保證根部材料不受損傷。為使密封圈能夠承受較大工作壓力，可給其根部增加支撐環(huán)，支撐環(huán)一般選擇摩擦系數(shù)較小的聚四氟乙烯或聚酰胺，見(jiàn)圖8。
圖8 密封圈根部支撐環(huán)示意結(jié)構(gòu)
圖9 擠出間隙選擇參考圖
3、設(shè)計(jì)實(shí)例
已知：工作壓力為1MPa，材料硬度為80度，活塞桿速度V=0.5m/s，裝配尺寸：槽寬=8.2mm，槽底直徑=79.5mm，缸體內(nèi)徑=90mm。
圖10 設(shè)計(jì)產(chǎn)品的斷面形狀
根據(jù)本文設(shè)計(jì)理論 產(chǎn)品相關(guān)裝配尺寸為
1)查圖9可得，擠出間隙g=0.3mm;密封圈根部外徑=缸體外經(jīng)-2g=90-0.6=89.4mm，同理得出產(chǎn)品根部?jī)?nèi)徑為80.1mm。
2)密封圈高度尺寸及公差范圍參考HG4-335-66，h=(7.0±0.2)mm;由于存在工作壓力，即使密封圈高度比溝槽寬度小1mm左右，加之往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度不高，也不會(huì)出現(xiàn)密封圈在溝槽內(nèi)躥動(dòng)的現(xiàn)象。
3)密封圈根部高度選擇應(yīng)參考HG4-335-66進(jìn)行，根部高度=4.2mm。
4)唇口裝配單邊過(guò)盈尺寸為 0.7~0.75mm，所以唇口部位外徑尺寸為91.5mm，內(nèi)徑尺寸為78.1mm。
5)唇口厚度=2.0mm 夾角A=17度，頂角B為60度。
4、試驗(yàn)
上述產(chǎn)品裝入設(shè)備中進(jìn)行考核試驗(yàn)，試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。
表1 實(shí)際裝機(jī)考核指標(biāo)
實(shí)際裝機(jī)考核試驗(yàn)溫度為100℃，在設(shè)備連續(xù)工作24h后，沒(méi)有出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，說(shuō)明密封效果良好。拆卸下來(lái)后，觀察到密封圈外觀沒(méi)有出現(xiàn)較大變形和破壞現(xiàn)象。
5、小結(jié)
通過(guò)探討，掌握了Y型密封圈設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的幾個(gè)關(guān)鍵尺寸和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在實(shí)際設(shè)計(jì)中 要根據(jù)用戶的使用工況對(duì)產(chǎn)品局部設(shè)計(jì)規(guī)范稍作改動(dòng)。例如：密封圈唇口厚度隨著工作壓力的增大應(yīng)當(dāng)適當(dāng)加厚，頂角B適當(dāng)減小等等，但這些改動(dòng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)靈活掌握。
參考文獻(xiàn)：日本 NOK株式會(huì)社。液壓密封系統(tǒng)Z 。
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