胡明杰

（揚州捷邁鍛壓機械有限公司，江蘇揚州225127）

壓力機的密封

胡明杰

（揚州捷邁鍛壓機械有限公司，江蘇揚州225127）

詳細介紹了壓力機密封的原理，密封的泄漏機理，密封的分類、應用、要求、選擇以及安裝，并結(jié)合壓力機的特點敘述了各種密封件在壓力機中的應用及其注意事項。

機械制造；密封；壓力機

1 前言

鍛壓生產(chǎn)工藝具有生產(chǎn)率高、材料利用率高、可改善工件內(nèi)部組織及提高機械性能等優(yōu)點，因而廣泛應用于國民經(jīng)濟各行各業(yè)。作為實現(xiàn)鍛壓生產(chǎn)工藝的鍛壓設備，其在裝備制造業(yè)中占有舉足輕重的地位，已成為衡量一個國家裝備制造業(yè)實力的重要標志之一。

鍛壓設備涉及面廣，種類繁多，工藝用途和結(jié)構(gòu)特點各有千秋。按驅(qū)動原理和工藝特點的不同，鍛壓設備主要分為機械壓力機和液壓機兩大類。機械壓力機系采用電機驅(qū)動和機械傳動，通過曲柄連桿機構(gòu)或其他機構(gòu)將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑塊的上下往復運動；液壓機則采用液壓傳動，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的壓力能，通過液壓缸驅(qū)動滑塊上下往復運動。

密封件是機械設備的基礎性元件之一，幾乎應用于所有的機械裝備。對壓力機而言，為了保證其在運行過程中的效率和可靠性，使用了大量密封技術(shù)，主要表現(xiàn)在以下3個方面：

1.1 工作介質(zhì)密封

液壓機是根據(jù)靜態(tài)下液體壓力等值傳遞的帕斯卡原理制成的設備，使用液體（液壓油、機械油或乳化劑）作為工作介質(zhì)。因此必須保證具有極其良好的密封性（即密閉的工作腔），阻止工作介質(zhì)越界泄漏，避免液壓機喪失工作性能或釀成安全事故。所以液壓機對密封件的密封性能要求非常高，其密封性能優(yōu)劣對液壓機的功能和使用壽命等具有決定性的影響。

1.2 潤滑介質(zhì)密封

壓力機在運行過程中，由于摩擦因數(shù)的存在，會直接導致運動零部件表面形狀和尺寸遭到緩慢而連續(xù)的破壞，使壓力機的效率和可靠性逐漸降低。因此，需要對各摩擦副進行潤滑，同時對潤滑介質(zhì)工作腔進行密封，以防壓力機工作性能下降和設備污染。

1.3 防塵密封

防止灰塵、污物、沙粒及金屬碎屑進入壓力機內(nèi)部，保護導向零件。

2 密封的分類及應用

密封是通過自身彈力、工作介質(zhì)壓力、補償機構(gòu)彈力或外來附加力等作用下將接合面間隙封住，防止工作、潤滑介質(zhì)從相鄰接合面間越界流出造成泄漏以及外界塵?；虍愇锏惹秩朐O備內(nèi)部。

根據(jù)密封偶合面在機械設備運轉(zhuǎn)過程中有無相對運動，密封通常分為相對靜止接合面間的靜密封和相對運動接合面間的動密封兩大類。

2.1 靜密封

靜密封是依靠封閉靜止接合面間的間隙實現(xiàn)密封。靜密封主要分為墊密封、密封膠密封和直接接觸密封三大類。在壓力機中主要使用O形密封圈密封和墊片密封。

2.1.1 O形密封圈密封

O形密封圈簡稱O形圈，是一種截面為圓形的橡膠密封圈。一般采用丁腈橡膠、天然橡膠、氯丁橡膠、乙丙橡膠、氟橡膠、硅橡膠以及共混膠制造而成。

O形圈裝入密封槽內(nèi)，其截面一般受到15%～30%的壓縮變形（作靜密封時的壓縮率在15%～25%，作往復密封時的壓縮率在10%～20%，作旋轉(zhuǎn)密封時的壓縮率在7%～10%），在工作、潤滑介質(zhì)的作用下，移至溝槽的一側(cè)，封閉接合面的間隙，從而達到密封的作用。O形圈按密封方式分為徑向密封（平面密封）和軸向密封（圓柱密封），見圖1、2。

O形圈具有良好的密封性能，動、靜密封均可使用，是液壓、氣動系統(tǒng)里使用最為廣泛的一種密封件。O形圈不僅可以單獨使用，而且是許多組合式密封的基本組成部分，適用范圍非常廣，在壓力機中主要用于液壓油缸、氣缸的活塞和缸口導套（缸蓋），油氣管路接頭和法蘭以及液壓元件等處的密封。具有密封性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、裝拆方便、使用壽命長等特點。

圖1 O形密封圈徑向密封

圖2 O形密封圈軸向密封

2.1.2 墊片密封

在兩連接件密封面之間墊上不同材質(zhì)的密封墊片，如非金屬墊片、金屬與非金屬復合墊片或金屬墊片，然后將螺紋或螺釘擰緊，擰緊力使密封墊片產(chǎn)生彈性或塑性變形，填塞密封面的不平處，從而達到密封的作用。在壓力機中法蘭連接墊片密封和螺紋連接墊片密封應用比較廣泛，主要用于油氣管道接頭、法蘭等處的密封，具有結(jié)構(gòu)簡單、密封效果直接、成本低廉等特點。

2.1.2.1 法蘭連接墊片密封（圖3、4）

在壓力機中主要用于低壓、中大通徑管道及容器的密封，密封壓力機的低壓工作介質(zhì)和潤滑介質(zhì)，如液壓油、潤滑油和壓縮空氣等，密封墊片一般采用耐油橡膠板。

圖3 管道法蘭連接墊片密封

圖4 液壓站人孔蓋板連接墊片密封

2.1.2.2 螺紋連接墊片密封（圖5）

在壓力機中主要用于高壓、中小通徑管道接頭的密封，密封壓力機的高壓工作介質(zhì)，密封墊片一般采用組合密封墊圈和紫銅墊。

圖5 螺紋連接墊片密封

2.2 動密封

動密封是依靠封閉運動接合面間的間隙實現(xiàn)密封。動密封根據(jù)密封偶合面運動方式的不同，分為旋轉(zhuǎn)密封和往復密封兩種。按密封件與密封偶合面是否接觸，分為接觸式密封和非接觸式密封。一般說來，接觸式密封的密封性能好，但受摩擦、磨損的限制，適用于密封面線速度較低的場合。非接觸式密封的密封性能較差，適用于速度較高的場合。

2.2.1 旋轉(zhuǎn)密封

旋轉(zhuǎn)密封是通過自身或補償機構(gòu)彈力等保持密封件和其作旋轉(zhuǎn)運動的偶合面貼合，從而達到密封的作用。在壓力機中油封使用較為廣泛，主要用于液壓泵、液壓馬達、傳動軸及飛輪等處的密封；毛氈圈和O形圈也有少量應用，僅限于低速旋轉(zhuǎn)的密封場合，用于密封潤滑油、潤滑脂、粘度大的液體及防塵作用。

2.2.1.1 油封（圖6）

油封又叫旋轉(zhuǎn)軸唇形密封件，由德國Freudenberg公司Simmer博士于1929年發(fā)明，英文名為Simmerring。油封是裝在旋轉(zhuǎn)軸和靜止件或靜止軸和旋轉(zhuǎn)件之間，用于密封潤滑油、脂和防止外界塵土、雜質(zhì)等侵入機械設備內(nèi)部。

油封的密封原理：在自由狀態(tài)下，油封的內(nèi)徑小于軸徑，即有一定的過盈量。油封安裝到軸上后，其唇緣的壓力和自緊彈簧的收縮力對軸產(chǎn)生一定的徑向抱緊力，克服軸（旋轉(zhuǎn)件）在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，因振擺、跳動而造成的間隙，使油封的唇緣始終緊貼于軸的表面，達到密封的作用。

油封的特點：結(jié)構(gòu)簡單；安裝腔體的位置緊湊，軸向尺寸小，加工方便；密封性能好,使用壽命較長；對機床的振動和主軸的偏心都有一定的適應性；安裝方便、拆卸容易。

2.2.2 往復密封

圖6 油封

往復密封是通過外力如工作、潤滑介質(zhì)壓力或密封件自身彈力保持密封件和其作往復運動的偶合面貼合，從而達到密封的作用。在壓力機中毛氈圈、唇形密封圈、組合式密封圈應用較為廣泛，主要用于立柱（導柱）、液壓油缸、氣缸及液壓元件等處密封。O形圈也有少量應用，但由于設備長時間閑置時，再次啟動時摩擦阻力會因O形圈與密封偶合面的粘附而陡增，出現(xiàn)蠕動現(xiàn)象。所以其使用速度一般控制在0.005～0.3m/s以內(nèi)，因此，O形圈僅限于低速往復密封場合。

2.2.2.1 毛氈圈密封（圖7）

主要用于運動速度較低、密封要求不高的場合，如液壓機立柱及其他導向柱的密封，用以密封潤滑油、脂和防塵作用。

毛氈圈密封的特點：結(jié)構(gòu)簡單，制作容易；適用于密封要求不高，運動速度較低的場合；安裝簡單、拆卸方便；價格低廉。

2.2.2.2 唇形密封

唇形密封的密封原理：唇形密封圈的唇緣和其作相對運動的偶合面呈線狀接觸，依靠密封件唇緣與密封偶合面之間的過盈量和工作介質(zhì)的壓力使密封件產(chǎn)生彈性變形，當密封副偶合件以一定的運動速度作相對運動時，由于密封唇和滑移偶合面間建立了密封油膜，從而達到了密封的作用。在壓力機中Y形密封圈、V形密封圈、防塵密封圈等應用較為廣泛，主要用于液壓油缸、氣缸的活塞與缸筒之間密封；活塞桿（柱塞桿）和缸口導套（缸蓋）之間的密封。

2.2.2.2.1 Y形密封圈

Y形密封圈的截面呈Y形，按其截面的高、寬比例不同，主要分為寬型、窄型及Yx型密封圈。

Yx型密封圈高度與寬度比大于2，并且基于對使用穩(wěn)定性的要求，Yx型密封圈的工作唇短于非工作唇，由此分為孔用Yx型密封圈和軸用Yx型密封圈（圖8）。在壓力機中Yx型密封圈主要用于高壓、高速、大缸徑、大行程的液壓油缸或氣缸。

Y形密封圈的特點：密封性能可靠；耐磨性能好；摩擦阻力小，運動平穩(wěn)；耐沖擊，抗擠出，壓縮變形??；適應于苛刻的工作條件及環(huán)境；可供選擇性好；使用壽命長。

2.2.2.2.2 V形密封圈（圖9）

圖7 毛氈圈密封

V形密封圈的截面呈V形，V形密封圈須配合支承環(huán)和壓環(huán)使用。根據(jù)V形密封圈的使用材料不同分為純橡膠V形密封圈、夾織物（夾布橡膠）V形密封圈及塑料V形密封圈。由于V形密封圈的結(jié)構(gòu)復雜，摩擦阻力較大，所以在壓力機中V形密封圈主要用于運動速度較低、工作壓力較高的液壓油缸。

V形密封圈的特點：由于接觸區(qū)域長且有數(shù)個密封唇口，所以具有很好的密封性能；由于成形的穩(wěn)定性，對高壓峰值不敏感；與單件密封相比，對工作介質(zhì)的污染或滑動面的輕微損傷不敏感；可根據(jù)工作壓力的大小來確定所用密封圈的數(shù)目；對于不同的工作介質(zhì)和使用溫度范圍，可以通過選擇不同材質(zhì)的圈進行組合；可以通過調(diào)整壓緊力來獲得最佳的密封效果；可以通過調(diào)整缸口壓蓋（法蘭）間隙補償密封圈的磨損；拆卸方便。2.2.2.2.3 防塵密封圈（圖9）

所有的液壓油缸都應設有防塵密封圈，防塵密封圈設置于活塞桿（柱塞桿）主密封圈的外側(cè)，液壓油缸回程時，刮掉活塞桿（柱塞桿）上的灰塵、污物、沙粒及金屬碎屑等，防止其進入液壓油缸內(nèi)部，保護活塞桿（柱塞桿）的導向面，同時防止主密封圈和導向套損傷。雙作用防塵密封圈兼有輔助密封功能，面向工作介質(zhì)的唇緣刮掉剩余油膜，從而起到了輔助密封作用。另外防塵密封圈也用于導向圓柱面的刮塵作用，如液壓機立柱和導柱等。

2.2.2.3 組合式密封

組合式密封是通過將不同材料、不同功能的密封件組合為一體，得到結(jié)構(gòu)緊湊、低摩擦、輕型、高效、長壽命的密封組件。在壓力機中格來圈、斯特封應用較為廣泛，主要用于高壓、高速液壓油缸。

2.2.2.3.1 格來圈（圖10）

格來圈是由橡膠質(zhì)O形圈與低摩擦聚四氟乙烯（PTFE）質(zhì)的方形密封環(huán)組合而成。根據(jù)密封偶合面的不同，格來圈分為孔用格來圈和軸用格來圈，但它們的密封機理相同：O形圈提供密封預緊力，配對的密封環(huán)和密封偶合面貼合，從而達到密封的作用。

格來圈的特點：結(jié)構(gòu)緊湊，安裝尺寸??；使用壓力范圍較廣，壽命長；極小的啟動和運動摩擦力，甚至在低速下也可保證平穩(wěn)運動，無爬行現(xiàn)象，運動平穩(wěn)性好；密封性能好；耐磨損、耐高溫、抗擠壓；由于密封環(huán)具有較高的耐化學介質(zhì)腐蝕特征，并且可以選擇不同材料的O形圈，幾乎應用于所有工作介質(zhì)；由于特殊形狀的密封結(jié)構(gòu)，具有良好的油膜回油特性。

2.2.2.3.2 斯特封（圖11）

斯特封結(jié)構(gòu)與格來圈相似，由橡膠質(zhì)O形圈與低摩擦聚四氟乙烯（PTFE）質(zhì)的特殊形狀的密封環(huán)組合而成，斯特封與格來圈一樣分為孔用斯特封和軸用斯特封，其密封機理與格來圈一樣，但斯特封只具有單向密封作用。

3 密封的要求

密封性能反映了對泄漏的控制水平，密封處的泄漏量是衡量密封性能的重要指標。對壓力機而言，密封的基本要求是密封性能好，安全可靠，壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊，制造維修方便，成本低廉。大多數(shù)密封件都是易損件，應保證其互換性，實現(xiàn)標準化、系列化。

對密封的基本要求如下：①密封性能；②摩擦性能；③耐壓性能；④壽命；⑤安裝性能；⑥經(jīng)濟性。

上述密封性能、摩擦性能、耐壓性能是獨立的性能，這三項性能的組合就得到了密封件的綜合性能；綜合性能的保持時間，就是密封件的壽命；實際設計中安裝性能與經(jīng)濟性也是一項重要指標。

密封的綜合性能不僅與密封件本身的性能有關，而且還與密封件的多項使用條件有關，所以考察密封性能，既要看密封件本身的性能，稱為單體性能，還要看密封件裝入液壓、氣動裝置等后的實際密封性能，稱為實際密封性能。

4 密封件材料的要求

對液壓油缸、氣缸及液壓系統(tǒng)來說，密封件的優(yōu)劣對于其功能和使用壽命等具有決定性的影響。這就要求密封件能均勻作用在密封區(qū)域、耐磨損、抗間隙擠出、良好的介質(zhì)相容性、耐高低溫、摩擦小、結(jié)構(gòu)緊湊并且安裝方便。

對密封件材料的具體要求如下：①材料致密性好，不易泄漏工作、潤滑介質(zhì)；②具有一定的力學性能，在工作條件波動時仍能保持密封性能；③壓縮性和回彈性好，壓縮永久性變形小，具有與密封面貼全的柔軟性；④耐氧化性和耐老化性好，經(jīng)久耐用；⑤耐高溫和低溫，高溫下不軟化、不溶脹、不分解，低溫下不硬化、不脆裂；⑥抗腐蝕性能好，在酸、堿、油等介質(zhì)中能長期工作，且不粘附在金屬表面；⑦抗震性能好，對軸的振動、偏擺以及軸對密封的偏斜不敏感；⑧具有較小的摩擦系數(shù)和良好的自潤滑性，耐磨性好；⑨結(jié)構(gòu)簡單，加工制造方便；⑩裝拆容易，價格低廉。

5 密封泄漏的原因

流體狀的工作介質(zhì)，在密閉系統(tǒng)的容腔內(nèi)流動或暫存，由于受壓力、間隙、粘度等因素的影響，從而導致少量工作介質(zhì)越過容腔邊界，由高壓腔向低壓腔流出。此種“越界流出”現(xiàn)象稱作泄漏。泄漏的動力有三種：一是壓力差，二是濃度差（擴散），三是表面張力（滲透）。

造成密封泄漏的原因包括物理失效和化學失效。

5.1 物理失效

①安裝方向錯誤或裝配不良使密封圈永久變形導致泄漏；②安裝過程中由于安裝面的毛刺、溝槽、劃痕、鋒利切口等導致密封圈損壞；③安裝、運行過程中夾入顆粒等雜質(zhì)導致密封圈損壞；④密封件安裝溝槽、偶合面的粗糙度、幾何精度達不到要求導致密封圈損壞；⑤滑動面間隙不合適，致使密封件的局部被擠入到間隙內(nèi)而磨損，導致密封圈損壞；⑥運行過程中由于潤滑不足，致使干摩擦導致密封圈損壞；⑦安裝軸撓度過大，造成密封圈與旋轉(zhuǎn)軸之間受力不均勻，無法形成油膜，喪失密封作用導致泄漏；⑧運行速度過高，油膜增厚，產(chǎn)生泄漏。

5.2 化學失效

①密封材質(zhì)與工作、潤滑介質(zhì)不匹配造成密封件溶解、硬化、破裂；②油溫過高或摩擦發(fā)熱嚴重造成密封圈氧化變質(zhì)；③低溫導致材料硬化、脆裂；④密封件燒焦、炭化。

6 密封的選擇

合理選擇密封對保證壓力機的效率、可靠性和使用壽命有著非常重要的作用。

①根據(jù)工作介質(zhì)和工作溫度，選擇材料合適的密封件；②根據(jù)壓力機的工況和密封副偶合件相對滑移面的運動速度，選擇合適的密封件結(jié)構(gòu)及組合匹配形式；③根據(jù)工作介質(zhì)壓力高低，考慮密封件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇合適的滑移面間隙尺寸；④根據(jù)密封副偶合件的運動跳動量，選擇合適的膠料硬度，以增強隨動性、跟隨性；⑤根據(jù)壓力機工況，選擇合理的偶合面粗糙度、幾何精度及密封件安裝腔體的結(jié)構(gòu)型式、尺寸和位置精度。

7 密封的安裝

密封的正確安裝是保證密封發(fā)揮其密封效果的重要環(huán)節(jié)，因此在密封件安裝過程中需要注意以下幾點：

①裝配前密封溝槽、密封偶合面必須進行清洗；②安裝過程應始終保持密封件清潔，表面無雜質(zhì)、灰塵，不允許用不清潔的布擦拭密封件表面；③安裝前可在動、靜密封件的摩擦面涂以少量油（脂），以防密封件在運轉(zhuǎn)時導致密封面損壞；④對于入口受限制的密封件，安裝時須使用專用工具，不允許用鐵質(zhì)工具或其它硬物敲擊密封件；⑤對于單向作用的密封件，須注意其作用方向。

8 結(jié)束語

泄漏是壓力機運行過程中常見的問題，目前徹底解決泄漏問題還不現(xiàn)實，在合理選擇密封件及組合形式的同時，加強密封件裝配時的質(zhì)量控制，加強壓力機運行過程中的巡視、維護和保養(yǎng)等，對延長密封件和壓力機的使用壽命具有非常重要的意義。

泄漏和密封是一對矛盾，在人類征服自然的過程中，泄漏問題推動了密封技術(shù)的發(fā)展。密封無泄漏是壓力機的永遠追求，隨著科學技術(shù)的進步和發(fā)展，壓力機正向大型化、快速化（高速化）、自動化和專業(yè)化方向發(fā)展，要求更高綜合性能的密封件與之匹配，這必將進一步推動和促進密封技術(shù)的發(fā)展。

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Sealing of press machine

HU Mingjie
（Yangzhou JFMMRI Metalforming Machinery Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu china）

The sealing&leaking principle,classification,application,and the demands of the press machine have been introduced in details in the text,as well as its selection&installation.By combination with the features of press,the application of all sorts of sealing into the press has been described,and the matters which should be paid attention to have been put forward.

Seal;Press machine

TH136

B

1672－0121（2012）02－0045－05

2011-11-17

胡明杰（1977-），男，工程師，研發(fā)部部長，從事鍛壓機械設計研發(fā)