李杰， 王艷秋 ， 祝木偉

(徐州工業(yè)職業(yè)技術學院 材料工程學院，江蘇 徐州 221140)

工程機械用的密封元件屬于精密、結構較為復雜的機械基礎元件，對整個設備的可靠性起關鍵作用。本文中的特種密封彈性體是指專用于特殊環(huán)境（高低溫、酸堿、高壓和耐油等環(huán)境）下的橡塑材料。

目前國內工程機械設備的最大難題就是“ 三漏”問題（漏油、漏水、漏氣）。這是因為國內工程機械設備使用環(huán)境惡劣，使用頻繁，不重視保養(yǎng)，時常超負荷運轉。在極寒地區(qū)的工程機械設備的使用溫度在零下50～60 ℃甚至更低，密封彈性體材料的彈性在低溫下明顯降低，永久壓縮變形率會顯著提高，而彈性降低和永久壓縮變形量提高都是材料密封性能變差的表現，因而產生泄漏的風險會顯著提升，設備可靠性明顯下降。密封材料是工程機械設備可靠性的最大短板，為了滿足工程機械行業(yè)的需求和發(fā)展，開展對工程機械用特種密封彈性體的研究具有重大意義。

1 工程機械用特種彈性體密封的類型及性能

1.1 特種彈性體密封的分類

工程機械產品的特種彈性體密封可分為相對接合面靜止的靜密封和相對接合面運動的動密封兩大類[1]，具體分類詳見圖1。

圖1 工程機械產品特種彈性體密封類型

根據正常工作時的環(huán)境壓力，靜密封又可分為中低壓靜密封以及高壓靜密封兩類；按照密封元件的運動方式，動密封則可以分為旋轉密封和往復密封兩種基本類型。如果按照密封件與其作相對運動的零部件是否接觸，可以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好，但受摩擦磨損限制，適用于密封面線速度較低的場合。非接觸式密封的密封性較差，適用于較高速度的場合。

機械設備用密封元件應滿足密封功能的要求。由于被密封的介質不同、設備的工作條件不同，要求密封元件的材料能夠適應不同的環(huán)境條件。對密封材料的要求：

（1）要有適當的機械強度和硬度，壓縮性和回彈性好，永久變形量小；

（2）高溫下不分解軟化，低溫下不脆裂；

（3）耐腐蝕性能好，在酸、堿和油等介質中能長期工作，并且其體積變化和硬度變化??；

（4）摩擦系數要小，耐磨性能好；

（5）耐老化性好，耐候性好；

（6）取材和加工制造容易，價格便宜等。

1.2 典型特種彈性體的基本性能

典型特種彈性體的基本性能見表1。

表1 典型特種密封彈性體的基本性能

2 特種密封彈性體在工程機械行業(yè)的應用

工程機械設備的五大部分需使用特種密封彈性體,如圖2 所示。

圖2 特種密封彈性體在工程機械設備上的應用

2.1 傳動系統

工程機械設備的傳動系統一般是指把動力從原動機傳遞到負載的機械裝置，主要包括發(fā)動機、變速箱、減速機、車橋、轉向系統等。在整機設計時為了使設備能夠在寒冷以及高溫地區(qū)正常工作，對所用密封元件提出了嚴格的要求，一般要求發(fā)動機用密封元件的工作溫度范圍為：-45～200 ℃，變速箱及其他傳動部件中密封元件使用的材料能夠在-40～170 ℃的齒輪油中保持良好的物理機械性能[2]。同時，工程機械中所用的潤滑油大部分采用極壓潤滑，即在潤滑油中加入Cl、P、F 等元素的化合物，使其在金屬表面形成一層保護膜，這些添加劑元素對密封材料有極大的腐蝕破壞作用，增加滲漏的風險。

通過企業(yè)走訪和調研，工程機械行業(yè)傳動系統主要用的特種密封彈性體如表2 所示。

表2 傳動系統主要用特種密封彈性體

傳動系統是工程機械設備的動作執(zhí)行單元，為提供設備的可靠性，很多人對特種密封材料進行了研究。屈盛官等[3]對大功率柴油機曲軸油封的密封性能進行了研究，采用了帶回流線型的氟橡膠油封和復合材料油封，并在結構設計和裝配與使用上加以改進，通過油封的部件臺架試驗、整機臺架試驗和試車試驗加以驗證，取得了良好的效果。宋有國等[4]對康明斯發(fā)動機曲軸后油封密封性能進行了研究，發(fā)現發(fā)動機6B后油封為雙唇形骨架式復合油封，骨架采用冷軋鋼，密封材料為復合特性PTFE，采用回流型結構，密封性能良好。林瑋靜等[5]研究了重卡驅動橋油封的密封性能，采用了三代粘結式F4 油封的主唇材料— 填充改性PTFE 具有自潤滑性能，強度高和耐磨性好，減少了摩擦系數，使油封更具有耐久性。

2.2 液壓系統

液壓系統的可靠性和穩(wěn)定性對于工程機械的操作和安全至關重要，工程機械領域液壓系統廣泛應用于各種工作裝置和驅動系統中，如制動、傳動和轉動等，特別是在重型工程機械中，液壓系統的應用比例更高，工作壓力也非常大，一般壓力范圍在3～50 MPa，對于超過50 MPa 的密封元件需做特殊設計，因此液壓系統需要耐高壓耐油的特種密封元件。工程機械液壓系統主要包括液壓馬達、液壓油缸、液壓閥等，通過企業(yè)走訪和調研，目前液壓系統特種密封材料如下表3 所示。

表3 液壓系統主要用特種密封彈性體的材料

袁艷艷等[6]對極地環(huán)境下液壓馬達密封材料進行了分析，考慮到密封材料需要在-50～60 ℃下仍具有足夠的壓縮變形量來保證密封可靠性，此外還需考慮材料耐油、耐氣候老化和耐磨等特性，因此該條件下選用氟硅橡膠、氫化丁腈橡膠等脆性溫度在-50 ℃以下的材料。吳用等[7]利用液壓密封測試機和針盤式往復摩擦儀模擬挖掘機油缸在各種工況下往復運動，對聚氨酯特種密封密封彈性體進行耐磨性能分析，確定了密封性能除了油封材料外，還與油封磨損與介質中顆粒的濃度、硬度和尺寸有關。吳文濤等[8]對傳統油缸往復運動密封中的鼓形圈結構進行了研究，提出了泄漏問題的主要原因，并采用進口澆注型聚氨酯(CPU) 材料制作的鼓形圈解決了滲漏問題，并在廣州寶力特液壓密封有限公司的煤碳液壓支架油缸產品中成功應用。胡必超等[9]對KY 造型線液壓系統的密封性能進行了研究，對國產傳統聚氨酯密封材料和美國CHESTERTON 公司專利技術材料— 聚醚型聚氨酯密封材料進行了對比, 進口材料很好的克服了國內材料耐水性差的弱點, 又同時具有較小的摩擦系數, 是解決KY 線液壓密封問題的理想材料。王其君等[10]對液壓油缸中聚氨酯彈性體密封材料進行了研究，發(fā)現4種不同類型軟段制備的聚氨酯彈性材料的材料物理力學性能、 摩擦磨損性能、 液壓油老化性能和密封性能各不相同，并找出最佳軟段密封材料。

2.3 燃油系統

工程機械領域動力都是來自于柴油發(fā)動機，因此其燃油系統的介質是柴油和尿素，其組成部件主要有油泵、油管、燃油濾清器和燃油噴射器等。燃油噴射的瞬時壓力高達120～180 MPa，如果噴油系統出現內部泄漏，甚至出現高壓油路與低壓油路相連通，將造成發(fā)動機無法啟動，設備將無法正常工作甚至產生安全事故。因此，燃油系統的密封性能將非常關鍵。

通過走訪制造企業(yè)和調研，目前燃油系統的主要特種彈性體密封材料如表4。

表4 燃油系統主要用特種密封彈性體的材料

莫桂娣等[11]研究了在不同體系的生物柴油和0#柴油下，O 型氟橡膠密封圈浸泡28 天后其厚度、質量、拉斷強度和拉斷伸長的變化率均能滿足要求，從而確定氟橡膠材料可以能長期用于柴油燃油系統。徐建新等[12]對共軌燃油系統高壓油泵泄漏情況進行了研究，發(fā)現柱塞偶件配合間隙處燃油的泄漏量是最大的，通過更改密封方式和提高密封材料的性能可以減少泄漏量。

2.4 空調系統

目前工程機械領域的空調系統都是借用汽車行業(yè)的空調，其中制冷劑現在普遍采用環(huán)保型制冷劑HFC134a，因此空調系統的介質主要是水、潤滑油和制冷劑，使用特種彈性體密封材料的主要部分包括壓縮機和管路接頭等。通過調研，各部分的特種密封材料如表5。

表5 空調系統主要用特種密封彈性體的材料

賀德國[13]介紹了空調管接頭的密封型式，從理論上闡述了空調管路接頭密封的原理及影響的因素，并指出現在普遍采用HFC134a 制冷劑，考慮到管件和密封材料運行過程中的尺寸公差和熱脹冷縮因素的影響，國內O 型密封圈材料一般用HNBR，其壓縮量設計為28%。王文東等[14]對新能源汽車空調渦旋式壓縮機原理進行了闡述，其中，密封材料及技術是制約渦旋式壓縮機的瓶頸技術之一，密封采用聚四氟乙烯復合材料能夠滿足新能源汽車空調的工況，確?？照{工作的可靠性。

2.5 電子電器系統

電子電器系統對設備的性能、安全性、舒適性以及可靠性等方面產生很大的影響，但這些部件的介質及應用環(huán)境相對來說比較溫和，一般的橡膠密封材料就可以滿足要求，對于特種彈性密封材料的需求較少，研究的課題也較少，通過調研電器系統使用的特種彈性密封材料如表6 所示。

表6 電器系統主要用特種密封彈性體的材料

3 存在的問題和發(fā)展方向

國內工程機械行業(yè)還處于野蠻發(fā)展時期，設備使用環(huán)境惡劣，使用頻繁，不重視保養(yǎng)，時常超負荷運轉等行為對特種彈性體橡膠材料性能要求越來越高。特種彈性體材料已在我國密封制品行業(yè)大量應用，但是與先進國家相比，特種彈性體的應用還遠不夠廣泛，高端產品的要求還不能滿足，同時成本一直降不下來，競爭力不強，從而導致很多高性能和高精密度的特種彈性體密封制品還需要進口。

針對這些問題提出如下研究思路：

（1）開發(fā)復合材料。以特種橡膠為主體，引入有機材料、無機材料或金屬材料等，來改善和提高材料的性能，如改善氟橡膠耐低溫性能，研究硬度低、低壓縮永久變形小且熱撕裂性能良好的材料。

（2）開發(fā)新型材料。如使用新型的聚四氟乙烯改性材料、聚氨酯改性材料，這些材料能夠解決傳統特種彈性體材料的缺點。

（3）再生材料的應用。特種彈性體密封材料屬于高附加值產品，因此成本較高，再生材料的應用可以降低成本，降低能耗，符合國家“ 雙碳” 戰(zhàn)略，是技術革新的一個方向。

（4）復合材料的表征。特種彈性體材料本質上屬于復合材料，由多種組分組成，目前的表征手段與實際應用的效果差別較大，如何來準確表征材料內部的缺陷目前還需要做大量工作。