濕式制動(dòng)器的幾種密封方案的分析研究

2015-01-21 劉建紅廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司

　　該文通過對(duì)濕式制動(dòng)器密封方案的工況適應(yīng)性、密封可靠性以及密封壽命等重要技術(shù)特性的分析研究，歸納總結(jié)了濕式制動(dòng)器所采用的四種類型的密封產(chǎn)品O形圈、Y形圈、Y+O形圈和同軸組合密封圈的優(yōu)缺點(diǎn)，為不同工況條件下的濕式制動(dòng)器提供了適配的密封技術(shù)解決方案。

　　濕式制動(dòng)器最早出現(xiàn)在美國(guó)，與干式制動(dòng)器比較，濕式制動(dòng)器以其高效長(zhǎng)久的制動(dòng)性能被機(jī)械工業(yè)廣泛采用，如工程機(jī)械、礦山機(jī)械等。由于濕式制動(dòng)器具有制動(dòng)力矩大，使用壽命長(zhǎng)，抗熱衰退、抗污染能力強(qiáng)以及免維護(hù)等特點(diǎn)，也是某些機(jī)械式壓力機(jī)的主傳動(dòng)部件，如汽車覆蓋件專門壓力機(jī)械采用的制動(dòng)器。國(guó)內(nèi)對(duì)濕式制動(dòng)器的研究，主要集中在摩擦磨損、非穩(wěn)態(tài)散熱、溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)、振動(dòng)與噪聲、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品制造工藝等方面，對(duì)于濕式制動(dòng)器所采用的密封方案與技術(shù)，國(guó)內(nèi)涉足較少，也不全面。文獻(xiàn)介紹的是WCQ-3C 型防爆無軌膠輪車驅(qū)動(dòng)橋制動(dòng)器的密封改造，將O形圈改為Y形圈，并得到了較好的工程結(jié)果，該文獻(xiàn)的制動(dòng)器密封形式比較典型，也比較成功，文獻(xiàn)是對(duì)Y形圈用于濕式制動(dòng)器的一種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究。文獻(xiàn)是對(duì)一種濕式制動(dòng)器中所應(yīng)用的矩形密封圈密封機(jī)理的研究，并指導(dǎo)實(shí)際的密封與密封溝槽設(shè)計(jì)，該制動(dòng)濕式制動(dòng)器多用于摩托車和小轎車中，并不屬于濕式制動(dòng)器。本文主要分析濕式制動(dòng)器的常用密封方案，概括而言，包括下述幾種結(jié)構(gòu)。

1、O形圈密封方案

　　O形圈作為密封產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、密封性能優(yōu)良、密封結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便。早期的濕式制動(dòng)器所采用的密封圈，主要以O(shè)形圈為主。其典型的密封安裝形式如圖1所示，圖中1、2、3、4所采用的密封圈均為O形圈。

濕式制動(dòng)器的幾種密封方案的分析研究

圖1 O 形圈為主要密封形似的濕式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

　　采用O形圈作為濕式制動(dòng)器的密封圈，文獻(xiàn)歸納其主要缺點(diǎn)包括：制動(dòng)器啟動(dòng)摩擦阻尼較大，O形圈在使用過程中存在“爬行”現(xiàn)象，從而使制動(dòng)器響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，與之相對(duì)應(yīng)的是，制動(dòng)器的動(dòng)、靜摩擦片脫開滯后并影響制動(dòng)效果，并伴有系統(tǒng)過熱，影響制動(dòng)器本身的使用壽命。

　　其實(shí)，用O形圈做濕式制動(dòng)器的動(dòng)密封，由于橡膠的焦耳效應(yīng)，制動(dòng)器工作時(shí)的熱效應(yīng)會(huì)使O形圈箍緊往復(fù)運(yùn)動(dòng)活塞桿，如圖1右側(cè)密封圈3，造成密封圈O形圈的早期老化，引起O形圈的磨損以至于密封失效。

　　從O形圈的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面分析，O形圈屬于典型的“對(duì)稱式結(jié)構(gòu)”密封圈，根據(jù)橡膠彈性體與滑動(dòng)面之間液膜的反向流體動(dòng)力學(xué)理論，它在進(jìn)行桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封時(shí)，活塞桿的入行程并不能將活塞桿的出行程的液膜全部帶回，即，用O形圈進(jìn)行活塞桿的往復(fù)動(dòng)密封，外露活塞桿上會(huì)積累油液，宏觀表現(xiàn)為密封不良。對(duì)于制動(dòng)器而言，O形圈用于往復(fù)動(dòng)密封時(shí)，制動(dòng)器中的液壓油會(huì)被桿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶入制動(dòng)液中，對(duì)制動(dòng)液造成污染，影響制動(dòng)器摩擦片的摩擦性能，從而影響制動(dòng)器的制動(dòng)性能，甚至造成制動(dòng)失效。正因如此，在濕式制動(dòng)器的動(dòng)密封中，很多制動(dòng)器制造公司會(huì)選擇線徑較大的O形圈，如線徑為7mm，或者直接用Y形圈代替O形圈。

2、Y形圈密封方案

　　Y形圈作為一種優(yōu)質(zhì)的唇形密封圈，其優(yōu)質(zhì)高效的密封效果得到了密封行業(yè)的一致認(rèn)可，目前在濕式制動(dòng)器中被廣泛應(yīng)用，如汽車覆蓋件自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線中的機(jī)械壓力機(jī)(文獻(xiàn))。隨著國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)近幾年的快速發(fā)展，汽車覆蓋件自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線中的機(jī)械壓力機(jī)的制動(dòng)器與離合器所采用的Y形圈呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化的趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)企業(yè)正開始著手這方面的工作，如廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司與濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司所進(jìn)行的相關(guān)工作。圖2為采用Y形圈密封方案的濕式制動(dòng)器及密封溝槽結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1和2即為Y形密封圈的安裝溝槽圖。

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圖2 機(jī)械壓力機(jī)制動(dòng)器及密封溝槽結(jié)構(gòu)示意圖

　　圖2所示的制動(dòng)器的密封方案，密封產(chǎn)品為Y形圈，工作介質(zhì)為壓縮氣體或油氣混合物，工作壓力為0.7MPa。由于該制動(dòng)器的工作介質(zhì)為含油壓縮空氣，工作壓力只有0.7MPa，Y形圈因所采用的材質(zhì)不同，結(jié)構(gòu)也有所不同。根據(jù)廣州機(jī)械科學(xué)研究院有限公司與濟(jì)南二機(jī)床的相關(guān)工作，Y形圈分為兩種結(jié)構(gòu)類型，如圖3和圖4所示。其中，圖3所示結(jié)構(gòu)適合采用聚氨酯材料，硬度為邵氏A93，圖4所示結(jié)構(gòu)適合采用丁腈橡膠材料，硬度為邵氏A85。結(jié)合有限元分析(FEA)，結(jié)構(gòu)a能更好地隨著介質(zhì)壓力的變化而調(diào)整唇口的接觸壓力，較結(jié)構(gòu)b具有更好的密封適應(yīng)性。實(shí)踐證明，制動(dòng)器采用這兩種結(jié)構(gòu)的Y形圈，密封效果與密封壽命均比較優(yōu)秀。

　　文獻(xiàn)和文獻(xiàn)對(duì)Y形圈用于工作介質(zhì)為液壓油的制動(dòng)器的密封可靠性也提供了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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圖3 Y 形圈結(jié)構(gòu)a 圖4 Y 形圈結(jié)構(gòu)b

3、Y+O形圈密封結(jié)構(gòu)

　　圖2所示的制動(dòng)器采用Y形圈作為主密封，滿足了氣動(dòng)摩擦制動(dòng)器所要求的動(dòng)作靈敏、反應(yīng)快速與工作可靠的性能要求，實(shí)際工程中，汽車自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線所配備的空氣壓縮包中的空氣壓力是需要保持在一定范圍內(nèi)的，一般依靠空氣壓縮機(jī)來進(jìn)行氣壓補(bǔ)充，也就是說，機(jī)械壓力機(jī)在實(shí)際使用中有一定的壓力損失�；蛘哒f，在0.7MPa以下的氣壓狀態(tài)下，Y形圈并不能提供零泄漏的密封效果。Y形圈的這一密封特性，不僅適用密封氣體，也適用于密封液體，一般認(rèn)為，在流體壓力低于7MPa時(shí)，這一結(jié)論都是適用的。為了克服Y形圈的這一缺點(diǎn)，采用液壓油的制動(dòng)器，技術(shù)人員一般選擇Y+O 形式的密封結(jié)構(gòu)，以提高Y 形圈的低壓密封性能。圖5和圖6為采用Y+O形密封圈的制動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖5活塞結(jié)構(gòu)為階梯結(jié)構(gòu)，圖6密封溝槽為單槽結(jié)構(gòu)，密封圈的安裝形式如圖5、圖6所示。

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圖5 Y+O 形圈為主要密封形似的濕式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖(階梯活塞結(jié)構(gòu))

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圖6 Y+O 形圈為主要密封形似的濕式制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖(單槽結(jié)構(gòu))

　　上述圖5和圖6所示的制動(dòng)器，推動(dòng)制動(dòng)盤的工作介質(zhì)一般為液壓油，工作壓力一般不高于16MPa，7MPa左右的工作壓力占較大比例。

　　采用Y+O的密封結(jié)構(gòu)形式，如圖7所示，與Y形圈相比較，該結(jié)構(gòu)的密封圈由于在Y形圈的凹槽內(nèi)增加了儲(chǔ)能環(huán)O形圈，提高了密封唇與金屬滑動(dòng)面的接觸壓力，使接觸壓力曲線更加陡峭，即接觸壓力曲線坡度更大，根據(jù)橡膠彈性體密封界面的反向流體動(dòng)力學(xué)理論，密封圈的低壓密封性能得到較大提高。實(shí)踐證明，當(dāng)Y形圈的材質(zhì)選邵氏A90的橡膠，O形圈的材質(zhì)選邵氏A70或邵氏A75的橡膠時(shí)，在介質(zhì)壓力小于16MPa的工況條件下，Y+O密封圈可以達(dá)到零泄漏的密封效果，在介質(zhì)與密封圈相容性良好、工作溫度在密封圈材質(zhì)可承受范圍的條件下，Y+O密封圈可有效運(yùn)行超過兩年。因此，Y+O形結(jié)構(gòu)密封圈被很多制動(dòng)器制造企業(yè)廣泛使用。國(guó)內(nèi)制動(dòng)器制造企業(yè)應(yīng)根據(jù)制動(dòng)器的制動(dòng)熱效應(yīng)所產(chǎn)生的溫升以及工作介質(zhì)類型，選擇合適的橡膠材料，如氟橡膠或丁腈橡膠，避免因材料不適配而造成的密封失效。

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圖7 Y+O 密封結(jié)構(gòu)形式圖

4、同軸組合密封結(jié)構(gòu)

　　近幾年，部分國(guó)外濕式制動(dòng)器采用同軸組合密封圈的密封類型，如圖8中所示，此制動(dòng)器的組合密封產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖9所示。如前所述，濕式制動(dòng)器的工作壓力一般小于7MPa，在該工作壓力下，同軸組合密封圈的密封滑環(huán)如果采用聚四氟乙烯或增強(qiáng)型聚四氟乙烯，由于密封面與滑動(dòng)面之間無法貼合緊密，存在一定的低壓泄液現(xiàn)象，從而造成制動(dòng)液被污染，影響制動(dòng)效果。為了克服同軸組合密封的這一缺點(diǎn)，本文推薦的同軸組合密封圈的密封滑環(huán)(圖9中的零件1)不采用聚四氟乙烯材料而用聚酯材料，彈性體則采用優(yōu)質(zhì)的“兩高一低”的橡膠材料，密封材料經(jīng)過如此調(diào)整，本同軸組合密封可達(dá)到零泄漏的狀態(tài)，密封優(yōu)良。密封滑環(huán)所采用的高分子聚酯材料可在120℃一下長(zhǎng)期工作，滿足制動(dòng)器制動(dòng)熱影響的要求。

　　不過，由于本同軸組合密封圈的密封滑環(huán)采用的是聚酯材料，產(chǎn)品工作時(shí)，密封面的摩擦阻尼較大，制動(dòng)器活塞回位靈活性降低，解決這一缺點(diǎn)的方法是：增加復(fù)位彈簧的彈性模量或增加復(fù)位彈簧的數(shù)量。一般而言，對(duì)于濕式制動(dòng)器，復(fù)位彈簧的復(fù)位力應(yīng)參考制動(dòng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，對(duì)于濕式制動(dòng)器，復(fù)位彈簧的復(fù)位力大于或等于制動(dòng)力的10%是合適的。

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