螺桿壓縮機油封的密封特性影響因素分析

2014-08-28 文命清寧波鮑斯能源裝備股份有限公司

　　該文對闡述了油封的密封機理，對影響油封密封特性的幾個因素進行了分析。對合理、正確使用油封提出了一些注意點，在螺桿壓縮機上正確應用油封,提高油封密封性能和使用壽命具有一定指導意義。

　　油封是維持軸承壽命和保障機械設備正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵元件，旋轉(zhuǎn)軸唇形密封件就是通常說的油封，一般說的油封指的是骨架油封。油封的作用是將傳動部件中需要的部件與輸出力部件隔離，不讓潤滑油泄漏。油封在機械行業(yè)的應用非常廣泛，在開啟式螺桿空壓機中在螺桿轉(zhuǎn)子與電機軸相連接處采用油封進行密封，阻止?jié)櫥拖蚩諝鈧?cè)泄漏；在半封閉的制冷螺桿壓縮機中，也有在螺桿轉(zhuǎn)子處采用油封，阻止?jié)櫥拖螂姍C側(cè)泄漏。油封由于結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、密封可靠等特點而在螺桿壓縮機中應用較多。潤滑油的泄漏會引起壓縮機缺油，影響壓縮機可靠性，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為油封密封在螺桿壓縮機的應用上也是一個備受關(guān)注問題。

1、油封的密封機理

　　油封具有柔性唇，在金屬骨架的支撐作用下，靠密封刃口施加給軸的徑向力，防止?jié)櫥偷男孤�。油封在使用過程中，在旋轉(zhuǎn)軸與密封唇表面間存在一層薄的潤滑油膜，密封油膜能防止密封唇表面損壞。在曾經(jīng)提出的眾多的油封密封機理中，普遍得到認同的油封密封機理為“泵吸效應”，也就是油封具有將貯油側(cè)流向空氣側(cè)的油吸回到貯油側(cè)的能力，這樣油封阻止?jié)櫥托孤?/p>

　　圖1 為油封結(jié)構(gòu)與安裝示意圖，α 為唇前角，即油封與貯油側(cè)形成的角度，β 為唇后角，即油封與空氣側(cè)形成的角度，且α>β。在旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，在空氣側(cè)和貯油側(cè)產(chǎn)生壓力變化，形成壓力差，從而使得潤滑油單向流動。油封唇口與旋轉(zhuǎn)軸配合時具有一定的過盈量，唇口接觸壓力在旋轉(zhuǎn)軸的軸向方向呈不均勻分布，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，油封唇口表面材料沿著摩擦方向產(chǎn)生彈性變形，以唇口壓力最大處為分界線，形成沿螺旋方向不同的兩部分彈性紋路，如圖2 所示的反旋段L1和正旋段L2，紋路段L1和L2構(gòu)成了輸送油液的微觀通道。在L1>L2時，潤滑油流向圖1 所示的貯油側(cè)，油封能有效防止?jié)櫥偷男孤辉贚1<L2時，潤滑油流向空氣側(cè)，油封則出現(xiàn)泄漏。由此可見，油封唇口的接觸應力大小和唇口區(qū)的設計影響油封的密封效果。

螺桿壓縮機油封的密封特性影響因素分析

圖1 油封結(jié)構(gòu)及安裝示意圖　　圖2 油封唇口表面微觀結(jié)構(gòu)

　　油封的唇口兩側(cè)為錐狀結(jié)構(gòu)，在離心力作用下，開放型錐狀油腔中的油液產(chǎn)生螺旋狀流動和渦流，這樣產(chǎn)生指向唇前區(qū)貯油側(cè)的抽吸壓力，形成密封作用。潤滑油泵回貯油側(cè)的速度用V 內(nèi)表示, 潤滑油泵向空氣側(cè)的速度用V 外表示，根據(jù)相關(guān)研究資料，則V 內(nèi)和V 外分別表示如下：

螺桿壓縮機油封的密封特性影響因素分析

　　式中Pr———徑向力，N；　h———油膜厚度，mm；　u———流體粘度，N·s/mm2；　B———唇口接觸寬度，mm。

　　由于α>β，根據(jù)式(1)和式(2)可知，則V 內(nèi)>V 外，也就是流向空氣側(cè)的潤滑油能有效地被泵回貯油側(cè)，阻止?jié)櫥偷男孤��？梢娪头獾慕Y(jié)構(gòu)也是影響密封效果的一大因素，油封的唇前角一般采用大于唇后角的設計方式。

2、油封密封特性的影響因素分析

　　油分密封性能與油封的結(jié)構(gòu)尺寸、油封的材料、油封的裝配、軸表面光潔度等因素有關(guān)。在螺桿壓縮機中合理選擇、正確使用油封對提高油封的密封性和油封的使用壽命是很重要的。

2.1、油封結(jié)構(gòu)尺寸的因素的影響

　　真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為油封影響密封性能的主要尺寸有：唇口直徑、唇口接觸寬度、唇前角和唇后角、腰厚和腰長等等。

　　1)過盈量

　　過盈量是油封的唇口直徑與軸徑之差。過盈量使油封唇口產(chǎn)生一定的徑向力，對軸的偏心可以產(chǎn)生一定的補償作用。油封的密封唇口與軸表面是過盈配合，過盈量隨軸徑的增加而增加，如果密封唇口與軸徑為間隙配合，那油封唇口與軸表面間不能形成有效的密封帶，則出現(xiàn)泄漏。在油封唇口與軸表面過盈量過大時，在高速旋轉(zhuǎn)下，唇與軸表面間將產(chǎn)生高溫，加速唇口的老化龜裂，嚴重時油封唇口燒損，嚴重影響密封性能。選擇油封的過盈量非常重要。過盈量的選擇需根據(jù)油封的橡膠材料和軸的幾何精確度等因素確定。

　　2)唇口接觸寬度

　　如圖1 所示的B 為油封唇口接觸寬度，唇口接觸寬度為油封唇口與彈簧槽中心的軸向距離。B 值小，接觸應力集中分布，對油膜的控制有利；但B 值過小，油膜無法穩(wěn)定保持，也不利于密封；B 值大時，摩擦增加，發(fā)熱量增加；唇口寬度增加，接觸應力減小，唇口與軸間的“臨界油膜”密封作用減弱。

　　3)前唇角與后唇角

　　前唇角為如圖1 所示的α，后唇角為圖1 所示的β，油封中，密封液體是從小的接觸角側(cè)泵向大的接觸角側(cè)，前后唇角與油封的泵吸率有關(guān)，當前唇角α<后唇角β 時，產(chǎn)生向外的泵吸作用，出現(xiàn)泄漏。在前唇角α=后唇角β 時，兩側(cè)的泵吸作用相互抵消，在流體靜壓力與軸跳動的作用下，也容易出現(xiàn)泄漏。因此，油封的前唇角α>后唇角β，才能保證有效的密封。前唇角太大，則唇口太尖，很容易磨損。前唇角α一般在45°～60°之間。后唇角主要影響唇口接觸寬度，后唇角增加，接觸寬度減小。軸的轉(zhuǎn)速高時，接觸寬度要小，后唇角大些；軸轉(zhuǎn)速低時，接觸寬度要寬，后唇角小些。后唇角一般為12°～30°。

2.2、油封橡膠材料特性的影響

　　油封的密封性能的優(yōu)劣，很大程度決定于密封材料的性能。正確選用密封材料是正確設計、使用油封的首要問題。油封在高的軸表面線速度時，導致唇口溫度很高，容易造成唇口的橡膠材料老化、開裂或轉(zhuǎn)軸磨損嚴重，從而導致密封失效。油封的密封體為合同橡膠，油封密封體要求耐溫性好、耐化學介質(zhì)的腐蝕、耐磨、回彈性好。油封橡膠材料的特性對油封的性能影響很大。油封橡膠材料常用的有丁腈橡膠(NBR)、氟橡膠(FKM)、丙烯酸酯橡膠(ACM)、氫化丁腈橡膠(HNBR)、聚四氟乙烯(PTFE)等等。

　　NBR 對石油基液壓油相容性較好，作為密封材料有較穩(wěn)定的物理特性，因此在油封中使用廣泛。由于NBR 分子結(jié)構(gòu)的特點，其耐蝕性、耐臭氧性、耐高溫與耐高速性能較差，正常工作溫度范圍在-30℃～+100℃，短期可到+120℃。在轉(zhuǎn)速超過5000r/min 時，油封唇口容易老化。

　　FKM 的碳原子的主鍵由氟原子置換，分子構(gòu)造非常穩(wěn)定，因此FKM 的特點是耐熱性、耐化學介質(zhì)性、耐氣候性、耐油性等都很好，但其耐寒性較差。因此氟橡膠的油封一般在低溫螺桿壓縮機中使用較少。FKM 橡膠的正常工作溫度在-15℃～+200℃之間，短期可達250℃。

　　ACM 的耐熱性能介于NBR 和FKM 之間，耐油性良好，具有優(yōu)異的耐臭氧性能。工作溫度在-30℃～+175℃之間。HNBR 是由NBR 部分或完全氫化而形成的。HNBR 除了具有良好的耐介質(zhì)性能外，還具有良好的耐熱、耐氧化降解的性能。HNBR 的耐熱性能介于FKM 和NBR 之間，耐磨性優(yōu)于NBR 工作溫度在-30℃～+150℃之間。

　　PTFE 的使用溫度寬，可以在-250℃～+260℃的溫度范圍內(nèi)使用，摩擦系數(shù)小，自潤滑性能好，具有不粘性，幾乎耐一切酸堿等化學物質(zhì)。FPFE 的硬度高，對軸的跟隨性較差。通常將PTFE 與其他橡膠材料復合，F(xiàn)PFE常做油封的密封唇口，這樣油封的唇口具有很好的耐磨特性，同時具備高彈性，以滿足油封唇口在動態(tài)密封的隨動性要求。

　　1)耐熱性

　　耐熱性就是橡膠材料受熱發(fā)生氧化劣化，加速材料的老化，表現(xiàn)出彈性降低、硬度、拉伸強度等性能變化明顯，嚴重熱老化會發(fā)生龜裂。高速旋轉(zhuǎn)的軸與油封唇口摩擦，唇口的溫度上升，唇口溫度比油溫一般高30℃～40℃，軸表面在20m/s 以上時，唇口溫度達200℃以上。高溫下可導致油封老化而硬化和唇口龜裂，降低油封的壽命。高速旋轉(zhuǎn)軸一般選用耐熱性好的的氟橡膠而提高油封的壽命。

　　2)耐磨性

　　油封在潤滑不良時，油封唇口與軸表面產(chǎn)生粘附摩擦，表面接觸不均勻，橡膠在軸表面上拉伸、剝離、粘附，出現(xiàn)摩擦力周期變化的“粘滑”振動現(xiàn)象。耐磨性與材料的硬度、密封面表面粗糙度、介質(zhì)工作壓力、載荷、運動速度以及溫度等使用條件有關(guān)。材料中增加氟塑料、石墨、二硫化鉬、碳纖維等等有助提高橡膠的耐磨性。

　　3)耐撕裂性

　　油封唇口與軸表面的摩擦實際相當于微觀撕裂，如果橡膠材料的撕裂性差，導致油封的唇口容易撕裂，破壞密封，再又唇口與高速旋轉(zhuǎn)的軸表面接觸摩擦，唇口溫度高，高溫下材料的撕裂能力更差。材料中增加芳綸纖維可顯著提高橡膠材料的撕裂性。

　　4)硬度

　　硬度是指材料表面抵抗塑性變形或破壞的能力，硬度與強度有一定的關(guān)系，硬度低的材料表現(xiàn)出受力變形的柔順性，硬度是油封橡膠材料的重要指標。利用橡膠材料硬度低而具有好的柔順性特點，在粗糙的密封面上變形，順應表面形狀，達到密封的目的。油封橡膠材料的硬度影響油封唇口部位的接觸寬度、徑向力、摩擦特性以及油封的抗壓能力。一般認為橡膠材料的硬度在邵氏65～75 度合適。高轉(zhuǎn)速軸采用低硬度的橡膠材料。

2.3、軸的加工質(zhì)量的影響

　　旋轉(zhuǎn)軸的表面加工質(zhì)量直接影響到油封唇口的磨損和密封性能。旋轉(zhuǎn)軸的材料一般用鑄鐵和硬化鋼，軸的表面質(zhì)量主要是表面粗糙度、表面硬度、已經(jīng)加工紋路等等。

　　軸表面粗糙使油封唇口容易磨損，油封使用壽命降低。軸表面光潔度太高時，密封唇與軸表面之間形成潤滑油膜困難，也會使油封唇口不耐磨。一般軸表面粗糙度要求為Ra0.2～0.4μm。

　　軸表面的硬度要求主要考慮軸表面不容易碰傷和剛性問題，軸的剛性好有利于油封唇口的密封。在低壓油環(huán)境下(0～1.5MPa)，旋轉(zhuǎn)軸的硬度一般旋轉(zhuǎn)軸的硬度要求達到HRC40～HRC50；在高壓油或高旋轉(zhuǎn)速度(速度在15m/s 以上)環(huán)境下，有的油封廠家推薦的軸的硬度要求在HRC58～65。軸的徑向跳動要求控制在0.015mm 以內(nèi)，同心度為IT8，軸公差為h11。