祝 勇1，戴永奮1，汪永明2

（1.馬鞍山方圓回轉(zhuǎn)支承股份有限公司，安徽 馬鞍山 243041；2.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002）

近年來回轉(zhuǎn)支承在工程機(jī)械中被廣泛應(yīng)用。回轉(zhuǎn)支承密封圈是回轉(zhuǎn)支承的主要構(gòu)件之一，起到防塵、防水以及防油脂泄漏的雙重作用。本文根據(jù)理論研究并結(jié)合實踐經(jīng)驗，提出回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈的唇角、壓縮量、唇口接觸面粗糙度、密封槽尺寸公差等重要結(jié)構(gòu)要素的設(shè)計方法和參考值，并給出不同工況下的密封圈選材方法。

1 回轉(zhuǎn)支承密封圈概述

回轉(zhuǎn)支承常用的密封圈是一種具有阻止?jié)L道內(nèi)的潤滑脂滲漏和外部環(huán)境的泥水、塵土等外來物侵入滾道功能的橡膠制品，能對滾道、滾動體、隔離體起到一定的保護(hù)作用，延長回轉(zhuǎn)支承使用壽命。目前國內(nèi)回轉(zhuǎn)支承的密封圈主要采用類似于旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈的接觸式密封，一般安裝在回轉(zhuǎn)支承的內(nèi)外滾圈之間靠近滾圈間縫隙處的位置，一端通過密封槽裝配在回轉(zhuǎn)支承的其中一個滾圈上，另一端壓附在相對轉(zhuǎn)動的另外一個滾圈的表面（圖1）。

圖1 單排球式回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)示意圖

回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈與旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈的結(jié)構(gòu)和性能有較多相似之處，現(xiàn)行由北京建筑機(jī)械化研究院、馬鞍山方圓回轉(zhuǎn)支承股份有限公司等單位聯(lián)合制訂的回轉(zhuǎn)支承行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中僅提出回轉(zhuǎn)支承密封圈采用符合HG/T 2811-1996要求的SN7453型丁腈橡膠制成[1]。

2 密封機(jī)理

盡管回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈與旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈有很多相似之處，但是從外形結(jié)構(gòu)、安裝方式、密封性能等方面比較卻存在諸多差異。如：前者一般無骨架結(jié)構(gòu)，斷面一般為L形（圖2），采用條狀對接成環(huán)形圈，后者多為有骨架的整體環(huán)形結(jié)構(gòu)；前者通常依靠其本身的橡膠體的彈性并設(shè)計壓縮量來實現(xiàn)密封功能，后者一般帶有彈簧結(jié)構(gòu)，向密封圈提供徑向力以保證密封；前者直徑通常都在?280mm以上，在理論上甚至可以沒有尺寸限制，裝配精度較低，密封性能較旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈差些，而后者直徑較小，裝配精度很高，密封性能優(yōu)越。

圖2 回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈斷面圖

3 唇形密封圈的設(shè)計

3.1 密封圈的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計

回轉(zhuǎn)支承最常用的密封圈為唇形密封圈，斷面為L形單唇結(jié)構(gòu)的長條狀，用膠水粘結(jié)對接成為環(huán)形，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛。在部分對可靠性要求高的回轉(zhuǎn)支承上可以考慮使用整體結(jié)構(gòu)密封圈，避免安裝過程中的拉伸現(xiàn)象[2]，密封性能較好，在盾構(gòu)、風(fēng)電、雷達(dá)、醫(yī)療等領(lǐng)域已經(jīng)有所應(yīng)用。

密封圈在裝在密封槽內(nèi)有少量的過盈量，并且有鋸齒形倒刺以防止密封圈脫出[2]。為防止裝配時拉扯產(chǎn)生的變形并加強(qiáng)密封圈的強(qiáng)度，可以在內(nèi)部植入合成纖維線（圖2）。密封圈的相關(guān)尺寸設(shè)計可參考表1。為了進(jìn)一步提高密封性能，還可以采用雙唇結(jié)構(gòu)密封圈，圖3即為風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域回轉(zhuǎn)支承常用的一種帶內(nèi)外唇的雙唇結(jié)構(gòu)唇形密封圈斷面圖。

表1 密封圈與密封槽的關(guān)鍵尺寸設(shè)計參考表

圖3 雙唇結(jié)構(gòu)密封圈結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 密封圈的唇角設(shè)計

回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈與旋轉(zhuǎn)軸唇形密封有著相同的密封機(jī)理和相似的唇角結(jié)構(gòu)。密封圈在裝配前后變形情況較復(fù)雜，其唇前角α角與唇后角β的角度大致變化情況為唇前角由α變?yōu)棣痢?，唇后角由β變?yōu)棣隆洹８鶕?jù)圖中的幾何關(guān)系，不難證明α′＜α，后唇角β′＞β（圖4）。根據(jù)旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[3]并結(jié)合回轉(zhuǎn)支承密封圈的性能要求及實際使用效果，丁腈橡膠材質(zhì)的密封圈裝配后α′在 30°～40°，β′在 35°～45°之間時密封效果較佳。對于其他材質(zhì)的密封圈，根據(jù)材料的不同物理特性可做適當(dāng)調(diào)整，但是設(shè)計時α一般控制在 30°～ 45°，β控制在 25°～35°（表 1），雙唇結(jié)構(gòu)的唇角設(shè)計可參考單唇結(jié)構(gòu)。

圖4 密封圈裝配后唇角變化示意圖

3.3 密封圈的壓縮量設(shè)計

根據(jù)密封機(jī)理，回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈在設(shè)計時要考慮壓縮量。壓縮量可以理解為密封圈裝配前后其唇口沿回轉(zhuǎn)支承軸向的變形量。這個變形量分為兩部分，一部分為密封圈腰部（圖2）的壓縮變形量，另一部分為唇口部位的壓縮變形量。唇口部位壓縮量較密封圈整體壓縮量小。壓縮量的存在使密封圈唇口部位產(chǎn)生與回轉(zhuǎn)支承軸向平行的軸向力，可以補(bǔ)償回轉(zhuǎn)支承滾道間隙造成的回轉(zhuǎn)支承端面（與密封圈接觸面）的跳動。

由于回轉(zhuǎn)支承滾道在使用過程中會發(fā)生機(jī)械磨損，滾道間隙呈增大趨勢，特別是在工況差、保養(yǎng)不規(guī)范的情況下。在滾道磨損的過程中，密封圈同時也在發(fā)生磨損。當(dāng)滾道間隙增大到一定程度后，回轉(zhuǎn)支承受傾覆力矩時，若以其中一個滾圈為參照，另一滾圈的平面相當(dāng)于發(fā)生一個極小的角度θ′的旋轉(zhuǎn)，內(nèi)外滾圈的幾何位置關(guān)系則發(fā)生變化。密封圈與回轉(zhuǎn)支承的接觸面間的壓力則會變小，密封圈壓縮量變小，甚至在密封圈與回轉(zhuǎn)支承表面間會出現(xiàn)間隙（圖5）。

圖5 密封圈唇口位置變化示意圖

可見壓縮量過小容易造成密封不嚴(yán)降低密封性；壓縮量過大，使唇口緊貼在接觸面，容易形成“干接觸”[4]，從而加速唇口磨損老化，甚至失效。選擇適當(dāng)?shù)膲嚎s量非常重要。根據(jù)經(jīng)驗，通常設(shè)計時唇口壓縮量應(yīng)隨回轉(zhuǎn)支承滾道中心直徑的增減做相應(yīng)的變化。壓縮量需要結(jié)合回轉(zhuǎn)中心直徑、工況、密封圈材料、密封介質(zhì)等因素做適當(dāng)調(diào)整。對于常用的L形丁腈橡膠單唇密封圈壓縮量VL控制在1～2mm較為合適，對于對回轉(zhuǎn)阻力矩有要求的回轉(zhuǎn)支承，可以適當(dāng)調(diào)整壓縮量，減小0.5～0.8mm，而唇口預(yù)壓縮量VL′往往控制在0.3～1mm時獲得的唇口接觸寬度有著較好的密封效果（圖4）。

3.4 密封圈唇口接觸面粗糙度設(shè)計

若密封圈與回轉(zhuǎn)支承接觸部位的表面粗糙度過大，旋轉(zhuǎn)時粗糙的表面就會切割密封圈唇口部位而造成磨損加快使得唇下油膜增厚使密封失效，若接觸面粗糙度過小，則不利于接觸面之間儲存潤滑油脂，接觸表面之間形成半干摩擦甚至干摩擦，也會加劇密封圈磨損[4]。

考慮到實際使用需要及經(jīng)濟(jì)性，通常密封圈唇口與回轉(zhuǎn)支承表面的粗糙度R a取1.6～3.2μm，對于密封圈其他部位表粗糙度以及密封圈安裝槽內(nèi)R a可取6.3～12.5μm。

3.5 密封圈與密封槽的尺寸及公差設(shè)計

密封圈的尺寸公差設(shè)計與其材料本身特性以及生產(chǎn)工藝等因素有關(guān)，密封槽的尺寸公差只能在機(jī)械加工過程中控制。

根據(jù)經(jīng)驗，如密封圈安裝槽的深度尺寸設(shè)計公差通常取0～+0.3mm為宜，密封槽的寬度尺寸設(shè)計公差取0～+0.2mm為宜。根據(jù)密封圈規(guī)格的不同，密封圈在密封槽內(nèi)的過盈量Δ(Δ=H1-w)一般控制在0.5～1.5mm之間。唇形密封圈及密封槽部分關(guān)鍵尺寸（圖2、圖6）公差設(shè)計可參考表1中的經(jīng)驗值。

圖6 密封槽關(guān)鍵設(shè)計尺寸代號

4 密封圈選材

新應(yīng)用領(lǐng)域中惡劣環(huán)境和復(fù)雜工況均對回轉(zhuǎn)支承的性能有較高的要求?；剞D(zhuǎn)支承的工況與密封介質(zhì)是密封圈的選材的重要參考因素。通過對常見密封材料的綜合性能比較，結(jié)合實踐經(jīng)驗總結(jié)，對不同應(yīng)用領(lǐng)域的回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈橡膠材料的選擇可參考表2。

5 結(jié) 語

影響回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈密封性能的因素較多且非常復(fù)雜，密封圈的密封性能直接影響到回轉(zhuǎn)支承的可靠性及使用壽命。隨著行業(yè)的發(fā)展，采用新結(jié)構(gòu)和新材料的新型密封圈不斷出現(xiàn)。本文重點(diǎn)從回轉(zhuǎn)支承唇形密封圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計和選材等方面論述一些回轉(zhuǎn)支承用密封圈的設(shè)計方法、經(jīng)驗總結(jié)以及部分關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的控制標(biāo)準(zhǔn)。目前國內(nèi)橡膠行業(yè)還沒有專門關(guān)于回轉(zhuǎn)支承用密封圈的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，所以回轉(zhuǎn)支承密封圈的標(biāo)準(zhǔn)化也是后期回轉(zhuǎn)支承相關(guān)研究工作的內(nèi)容之一。

表2 不同領(lǐng)域回轉(zhuǎn)支承密封圈材料選用參考表

[1] JB/T10839-2008，建筑用單排球式回轉(zhuǎn)支承[S]．

[2] 徐立明，陳 卓．回轉(zhuǎn)支承[M]．合肥：安徽科學(xué)技術(shù)出版社，1988．

[3] GB/T9877-2008，液壓傳動旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈設(shè)計規(guī)范[S]．

[4] 魯選才，賀永軍，楊維章，等．旋轉(zhuǎn)軸唇形密封圈的設(shè)計與選材[J]．特種橡膠制品，2010，31(5)：42-54．