液压往复密封理论、技术与应用的进展研究

现代工业领域中，密封技术起着举足轻重的作用，它是液压和气压系统性能得以保证的关键。密封失效，不仅大幅度增加了后续维修成本，还可导致致命的灾难，如美国挑战者号航天飞机发射爆炸，就是由于密封失效引起的。液压往复密封技术是建立在密封偶合面的润滑、摩擦、磨损、传热、材料性质和结构设计原理之上，是液压系统中使用条件复杂，对密封装置要求较高的动密封。本文作者通过对液压往复密封原理、密封关键技术和设计方法、密封结构型式和应用的进展研究，提出未来往复密封技术的发展趋势和研究热点。 1 液压往复密封理论的进展 液压往复密封理论实质上是研究相对运动表面的相互作用。自20世纪70年代新兴边缘学科——摩擦、磨损和润滑学的出现，才将密封装置作为一个系统加以研究，使柔性（橡胶）与刚性表面相对运动，比两个刚性表面相对运动的研究，出现了更新、更复杂的内容，从而也大大丰富了动态密封理论。 1.1 密封偶合面的摩擦、磨损与润滑 1.1.1 密封偶合面间的摩擦状态 相互接触的往复密封偶合面间有干摩擦、 边界摩擦、混合摩擦和流体摩擦4种状态。 （1）干摩擦是指密封偶合面没有任何润滑剂或保护膜的密封件与被密封面接触时的摩擦，在实际往复密封中，不存在真正的干摩擦。 （2）边界摩擦是指密封偶合面被吸附在表面的边界膜隔开，摩擦性质取决于边界膜和表面的吸附性能时的摩擦。 （3）流体摩擦是指密封偶合面被流体膜隔开，摩擦性质取决于流体内部分子间粘性阻力的摩擦。 （4）混合摩擦是指密封偶合面处于边界摩擦与流体摩擦的混合状态时的摩擦。 往复密封停止运动停留较长时间，重新启动时会逼近干摩擦状态。静止时，润滑油膜在接触压力的作用下，被挤成厚度很小的薄膜，此时间隙之间的油膜不完整，处于边界摩擦状态。随着相对运动速度的提高，油液运动产生的动力使油膜厚度增加，形成流体摩擦。由于往复运动表面相对速度和密封压力变化范围很广，因此混合摩擦状态也是不可避免的。 1.1.2 密封偶合面间的磨损 密封偶合面间的摩擦将导致密封元件材料的逐渐丧失或迁移，即形成密封件的磨损。在密封偶合面间加入润滑剂可降低摩擦，减轻磨损。密封磨损与被密封面的加工精度和密封摩擦表面的粗糙度纹理形状有关。 1.1.3 密封偶合面间的润滑 在往复密封中，密封偶合面的润滑对于其密封性能与寿命起决定作用。为保证往复密封的良好的运动特性和一定的使用寿命，密封偶合间不允许出现干摩擦。边界摩擦、混合摩擦和流体摩擦都必须满足一定的润滑条件，相应的润滑状态分别为边界润滑、混合润滑和流体润滑。有2种方法来判断密封偶合面间的润滑状态。方法1:根据图1所示的摩擦特性系数μv/Pm及相应的摩擦特性曲线来判断。v为相对运动速度，μ是润滑油的动力粘度，Pm为平均负载压力。 方法2：通过膜厚比来判别。式中hmin为密封偶合面间的最小公称油膜厚度,μm;Rq1、Rq2分别为密封偶合面轮廓的均方根偏差。 （1）边界润滑: λ≤1时密封偶合面呈边界润滑状态。边界润滑的膜厚为0.005~0.1μm摩擦因数为0.08~0.14，相对速度较低。边界润滑时，密封偶合表面的粗糙度之和一般都超过边界膜的厚度，所以边界摩擦不能完全避免密封偶合面的直接接触，吸附在密封偶合面的边界薄膜承担大部分载荷。边界膜强度受密封偶合面的相对速度、流体粘度、接触压力、材料特性、表面粗糙度、温度等因素的影响。 （2）混合润滑1≤λ≤3时的密封偶合面处于混合润滑状态。混合润滑时的膜厚为0.01~0.1μm摩擦因数为0.02~0.08表面相对速度略有增加。混合润滑时，随润滑膜厚度的增大，表面轮廓直接接触的数量减小，润滑膜的承载比例也随之增加。 （3）流体润滑：λ≥3时的密封偶合面形成完全的流体润滑状态。流体润滑时的润滑油膜厚度大到足以将两个表面的轮廓峰完全隔开，膜厚为0.25~2.5μm摩擦因数为0.001~0.008，表面相对速度较高。流体润滑时，润滑剂中的分子大都不受密封偶合面吸附作用的支配而自由移动，不会有磨损产生，是理想的润滑状态。 由于无论是从膜厚还是从摩擦特性来说，在弹流润滑和边界润滑之间还是一个空白区，而混合润滑只是描述了各种润滑状态共存时的润滑性能，并不具备基本的、独立的润滑机制。因此，近些年来提出了介于弹流润滑和边界润滑之间的薄膜润滑。随着科学技术的发展，摩擦学研究已深入到微观研究领域，形成了微-纳米摩擦学理论，如超润滑概念。从理论上讲，超润滑是实现摩擦因数为零的润滑状态，但在实际研究中，一般认为摩擦因数在0.001量级（或更低）的润滑状态即为超润滑状态。 对往复密封来说，流体润滑使密封摩擦面间的摩擦力迅速降低，磨损最小，是一种理想的润滑状态。 1.2 液压往复密封机制 液压往复密封机制受密封偶合面间的液压流体行为支配。围绕这一问题，不同学者从不同的角度进行了大量的研究，并提出了很多动态密封理论，下面介绍几种典型的液压往复密封理论。 1.2.1 液体表面张力理论 密封装置主要密封某种流体, 而流体具有表面张力。密封件与轴的间隙形成的液膜，就是表面张力造成的。EJJagger认为：液体表面张力造成的润滑液膜，由于流体的润滑性和毛细管作用，会使流体渗入密封间隙。在与空气交界面上形成弯曲的一面，表面张力会阻止流体通过间隙漏出。介质压力与密封间隙成反比： p=2σ/h 式中σ为表面张力;p为介质压力;h为密封间隙。依靠油膜的表面张力，润滑剂保持在一定位置上，形成一道密封屏障。在运动状态下，油膜厚度随摩擦偶合面的相对速度、流体粘度、接触面压力等许多因素的影响而改变。 1.2.2 边界润滑理论 这是用来说明密封失效机制的理论，认为密封件与轴接触时，有边界润滑、流体润滑和混合润滑3种润滑状态。很多学者认为，往复密封是在流体动力润滑状态下密封。 1.2.3 流体动力密封理论 浮动在流体膜上的聚合体密封配合表面与表面当作刚性体的流体动压密封不同，其特性像被界面膜流体压力局部支撑的隔膜。因此，膜形状的预测建立在反向流体动力学理论基础上，可用雷诺方程来处理。式中u0为活塞外行程时的速度；P0为内部压力；h(x)为可变膜的高度；为液膜中的可变压力；η为间隙内的流体的粘度；h0*为最大压力处的膜高。 假定h在某一取值时使|dp/dx|达到最大,为此将式(1)对h求导并令其为0,可得h0*=2/3h,将此代入式(1)得:因此,缝隙间流体流量可由油膜厚度求得,流体的泄漏由|dp/dx|支配。 如果以往复运动的活塞杆密封为例，假定活塞杆直径为d,则粘附在外行程杆上液体的体积流量为:式中：ui为内行程的速度；Pi为内行程时液体压力；hi*为内行程时最大压力处的膜高。 若活塞杆以等速u作往复运动，活塞杆行程为H，一个周期t内包括外行程t/2和内行程t/2,外行程油液向外泄漏,流量为V0：内行程油液被带入，流量为Vi,则一个周期内油液净泄漏量为：因此，油液不发生外泄漏的条件是：由于密封件的结构形状和材料与变形有关，而变形又会影响油膜压力。因此，合理设计密封形状与预压力的施加位置，可改善密封件的密封与摩擦性能。 2 液压往复密封的发展与应用 2.1 液压往复密封的设计方法 用于液压往复密封的都是接触型密封，需要密封件通过弹性变形跟随滑动表面因粗糙度、形状公差、波纹度引起的密封间隙变化，或因负载变化使活塞（或活塞杆）与缸套变形而产生的密封间隙变化，以阻塞泄漏通道。橡胶密封件因较好的回弹性而作为往复密封的主要密封元件。为使式（7）总能成立，用于往复密封的橡胶密封件应设计成不同的截面形状。然而，弹性好的橡胶密封件往往耐磨性较差，为此新型组合密封，包括结构和材料的组合密封件成为往复密封的主要密封形式。 2.1.1 不同截面形状的弹性体密封 O型密封圈因结构紧凑，尺寸小，具有预密封效果和自密封作用及磨损后自动补偿能力，在液压往复密封中得到广泛应用。但在高压、高温工作条件下，O型圈往往因间隙咬伤和运动时的扭曲而产生失效。因此，通过截面形状的改变改善O型密封圈的某些性能。图2所示的O型、三角型、X型、异型、H型和Y型截面密封圈等可适用于不同的介质压力和运动速度。三角型密封圈以很小的摩擦接触面积，提供良好的沟槽接触面积，以保持稳定；型密封圈以均匀分布的接触应力，减小泄漏；异型密封圈可防止往复运动时的翻转和扭曲；H型密封圈能适应介质工作压力而改变接触压力，获得良好的密封性能；Y型密封圈因具有自封作用，可密封高压介质且具有较好的综合密封性能。 2.1.2 结构上的组合密封由于往复密封所需的密封性和耐磨性难以在一个密封件上同时具备，因此20世纪80年代末出现的组合密封在往复密封中得到迅速应用。组合密封的密封功能由弹性橡胶密封件或弹簧完成，而耐磨性能由填充PTFE或增强聚胺脂来实现。如图3所示为典型的组合密封型式。 2.1.3 材料上的组合密封 为了获得各种性能的密封材料，往往在一种基体材料中加入各种成份。如在填充PTFE中加入MoS2添加剂增加刚性硬度和耐磨性,加入石墨改善尺寸稳定性和耐磨性,加入青铜提高耐压性、加强散热性，加入玻璃纤维改变拉伸强度、伸长率、压缩变形和韧性；用PTFE包覆橡胶密封圈改善密封的耐化学药品的性能等。 2.1.4 串联密封原则上，许多类型的密封可组合成串联形式。串联密封中，密封通过独立支撑，每个密封的密封堤相互分开，如图4所示。串联密封可提高动态密封性能，且摩擦力低于单个密封的摩擦力。串联密封正确发挥作用的条件是两个密封都必须具有非对称压力分布。 2.1.5 可调节密封 液压技术的高速发展，不但对密封件的数量要求成倍增加，而且对质量、可调节和可控方面提出更高的要求。近几年出现的如图5所示的可调节密封就是为了满足这种需求而产生的。2.2 液压往复密封的应用 目前，在往复密封中，O型密封圈已很少单独使用，主要使用组合密封件。Y型和H型密封圈在许多往复密封场合中广泛采用。 在高负荷密封界面润滑不充分的情况下，常导致局部过热、磨损和粘滑，可使用具有低附着力并可能具有微观凹坑的密封界面。在液压缸中，由于活塞杆伸出元件外部，因此要严格阻止油液泄漏，污染环境，又要防止外部水、气和杂质侵入元件，为避免动态泄漏，可使用串联密封，如由两个PTFE同轴密封和一个PTFE双刮油密封组成液压缸活塞杆密封。活塞密封的两边都有液压油，密封间隙中一般为流体动压润滑，可通过被增能的矩形截面PTFE密封环来密封，且用PTFE材料制成的附加外侧轴承环保护活塞不受磨损颗粒侵害。 3 液压往复密封技术的进展研究 液压往复密封技术的进展研究就是从宏观上总结往复密封技术的发展历程，从微观上分析往复密封技术的结构进化特点，并为新型往复密封技术的开发提供设计思路。 文献利用TRIZ(The Theory of Inventive Problem Solving)技术进化理论,根据不同时期液压往复密封的材质、结构型式和可控性对密封性能和耐磨性能的定量分析，对当前液压往复密封技术的进化曲线进行了研究，并指出液压往复密封技术仍处于其生命周期的生长期。文献通过对液压往复密封的进化状态分析，系统地归纳和总结了液压往复密封的11条进化路线，并画出了液压往复密封的进化潜能图，确定了未来往复密封技术的开发方向。 4 液压往复密封的研究热点和发展趋势 通过液压往复密封的密封机制、设计方法、应用和技术的进展分析及研究，确定未来液压往复密封的研究热点和发展趋势为： （1）密封性能和耐磨性的进一步提高。从液压往复密封技术的进化曲线看，未来密封件往复密封技术的发展是在不改变现有密封原理的情况下，致力于对密封件结构、材料和型式的改进来提高其密封性能和耐磨性能。 （2）增加往复密封的可控性。通过结构和材料的进一步分离，实现良好的密封和耐磨功能。 （3）充分利用系统内部资源提高密封性能。通过设计新型的密封结构形式，利用被密封液体资源提高密封的可靠性和耐磨性。 （4）密封与耐磨功能的集成。串联密封虽然可提高密封性能，但增大了结构尺寸。因此，结构紧凑的集密封与耐磨功能于一体的新型密封是未来往复密封设计的重要内容。 （5）通过对往复密封件的有限元分析，模拟密封件在液压力和预压缩力作用下的应力、应变分布，合理设计密封圈的截面形状。