螺杆压缩机油封的密封特性影响因素分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)宁波鲍斯能源装备股份有限公司 作者:文命清

  该文对阐述了油封的密封机理,对影响油封密封特性的几个因素进行了分析。对合理、正确使用油封提出了一些注意点,在螺杆压缩机上正确应用油封,提高油封密封性能和使用寿命具有一定指导意义。

  油封是维持轴承寿命和保障机械设备正常运转的关键元件,旋转轴唇形密封件就是通常说的油封,一般说的油封指的是骨架油封。油封的作用是将传动部件中需要的部件与输出力部件隔离,不让润滑油泄漏。油封在机械行业的应用非常广泛, 在开启式螺杆空压机中在螺杆转子与电机轴相连接处采用油封进行密封,阻止润滑油向空气侧泄漏; 在半封闭的制冷螺杆压缩机中,也有在螺杆转子处采用油封,阻止润滑油向电机侧泄漏。油封由于结构简单、拆装方便、密封可靠等特点而在螺杆压缩机中应用较多。润滑油的泄漏会引起压缩机缺油,影响压缩机可靠性,因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为油封密封在螺杆压缩机的应用上也是一个备受关注问题。

1、油封的密封机理

  油封具有柔性唇,在金属骨架的支撑作用下,靠密封刃口施加给轴的径向力,防止润滑油的泄漏。油封在使用过程中, 在旋转轴与密封唇表面间存在一层薄的润滑油膜,密封油膜能防止密封唇表面损坏。在曾经提出的众多的油封密封机理中, 普遍得到认同的油封密封机理为“泵吸效应”,也就是油封具有将贮油侧流向空气侧的油吸回到贮油侧的能力, 这样油封阻止润滑油泄漏。

  图1 为油封结构与安装示意图,α 为唇前角,即油封与贮油侧形成的角度,β 为唇后角,即油封与空气侧形成的角度,且α>β。在旋转轴转动时,在空气侧和贮油侧产生压力变化,形成压力差,从而使得润滑油单向流动。油封唇口与旋转轴配合时具有一定的过盈量,唇口接触压力在旋转轴的轴向方向呈不均匀分布, 旋转轴转动时, 油封唇口表面材料沿着摩擦方向产生弹性变形,以唇口压力最大处为分界线,形成沿螺旋方向不同的两部分弹性纹路, 如图2 所示的反旋段L1和正旋段L2,纹路段L1和L2构成了输送油液的微观通道。在L1>L2时,润滑油流向图1 所示的贮油侧,油封能有效防止润滑油的泄漏;在L1<L2时,润滑油流向空气侧,油封则出现泄漏。由此可见,油封唇口的接触应力大小和唇口区的设计影响油封的密封效果。

螺杆压缩机油封的密封特性影响因素分析

图1 油封结构及安装示意图  图2 油封唇口表面微观结构

  油封的唇口两侧为锥状结构,在离心力作用下,开放型锥状油腔中的油液产生螺旋状流动和涡流, 这样产生指向唇前区贮油侧的抽吸压力,形成密封作用。润滑油泵回贮油侧的速度用V 内表示, 润滑油泵向空气侧的速度用V 外表示,根据相关研究资料,则V 内和V 外分别表示如下:

螺杆压缩机油封的密封特性影响因素分析

  式中Pr———径向力,N; h———油膜厚度,mm; u———流体粘度,N·s/mm2; B———唇口接触宽度,mm。

  由于α>β,根据式(1)和式(2)可知,则V 内>V 外,也就是流向空气侧的润滑油能有效地被泵回贮油侧,阻止润滑油的泄漏。可见油封的结构也是影响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设计方式。

2、油封密封特性的影响因素分析

  油分密封性能与油封的结构尺寸、油封的材料、油封的装配、轴表面光洁度等因素有关。在螺杆压缩机中合理选择、正确使用油封对提高油封的密封性和油封的使用寿命是很重要的。

2.1、油封结构尺寸的因素的影响

  真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为油封影响密封性能的主要尺寸有:唇口直径、唇口接触宽度、唇前角和唇后角、腰厚和腰长等等。

  1)过盈量

  过盈量是油封的唇口直径与轴径之差。过盈量使油封唇口产生一定的径向力, 对轴的偏心可以产生一定的补偿作用。油封的密封唇口与轴表面是过盈配合,过盈量随轴径的增加而增加, 如果密封唇口与轴径为间隙配合, 那油封唇口与轴表面间不能形成有效的密封带, 则出现泄漏。在油封唇口与轴表面过盈量过大时,在高速旋转下,唇与轴表面间将产生高温,加速唇口的老化龟裂,严重时油封唇口烧损,严重影响密封性能。选择油封的过盈量非常重要。过盈量的选择需根据油封的橡胶材料和轴的几何精确度等因素确定。

  2)唇口接触宽度

  如图1 所示的B 为油封唇口接触宽度, 唇口接触宽度为油封唇口与弹簧槽中心的轴向距离。B 值小,接触应力集中分布,对油膜的控制有利;但B 值过小,油膜无法稳定保持,也不利于密封;B 值大时,摩擦增加,发热量增加;唇口宽度增加,接触应力减小,唇口与轴间的“临界油膜”密封作用减弱。

  3)前唇角与后唇角

  前唇角为如图1 所示的α, 后唇角为图1 所示的β,油封中,密封液体是从小的接触角侧泵向大的接触角侧,前后唇角与油封的泵吸率有关,当前唇角α<后唇角β 时,产生向外的泵吸作用,出现泄漏。在前唇角α=后唇角β 时,两侧的泵吸作用相互抵消,在流体静压力与轴跳动的作用下,也容易出现泄漏。因此,油封的前唇角α>后唇角β,才能保证有效的密封。前唇角太大,则唇口太尖,很容易磨损。前唇角α一般在45°~60°之间。后唇角主要影响唇口接触宽度,后唇角增加,接触宽度减小。轴的转速高时,接触宽度要小,后唇角大些;轴转速低时,接触宽度要宽,后唇角小些。后唇角一般为12°~30°。

2.2、油封橡胶材料特性的影响

  油封的密封性能的优劣,很大程度决定于密封材料的性能。正确选用密封材料是正确设计、使用油封的首要问题。油封在高的轴表面线速度时,导致唇口温度很高,容易造成唇口的橡胶材料老化、开裂或转轴磨损严重,从而导致密封失效。油封的密封体为合同橡胶,油封密封体要求耐温性好、耐化学介质的腐蚀、耐磨、回弹性好。油封橡胶材料的特性对油封的性能影响很大。油封橡胶材料常用的有丁腈橡胶(NBR)、氟橡胶(FKM)、丙烯酸酯橡胶(ACM)、氢化丁腈橡胶(HNBR)、聚四氟乙烯(PTFE)等等。

  NBR 对石油基液压油相容性较好, 作为密封材料有较稳定的物理特性, 因此在油封中使用广泛。由于NBR 分子结构的特点,其耐蚀性、耐臭氧性、耐高温与耐高速性能较差, 正常工作温度范围在-30℃~+100℃,短期可到+120℃。在转速超过5000r/min 时,油封唇口容易老化。

  FKM 的碳原子的主键由氟原子置换, 分子构造非常稳定,因此FKM 的特点是耐热性、耐化学介质性、耐气候性、耐油性等都很好,但其耐寒性较差。因此氟橡胶的油封一般在低温螺杆压缩机中使用较少。FKM 橡胶的正常工作温度在-15℃~+200℃之间, 短期可达250℃。

  ACM 的耐热性能介于NBR 和FKM 之间, 耐油性良好, 具有优异的耐臭氧性能。工作温度在-30℃~+175℃之间。HNBR 是由NBR 部分或完全氢化而形成的。HNBR 除了具有良好的耐介质性能外,还具有良好的耐热、耐氧化降解的性能。HNBR 的耐热性能介于FKM 和NBR 之间,耐磨性优于NBR 工作温度在-30℃~+150℃之间。

  PTFE 的使用温度宽,可以在-250℃~+260℃的温度范围内使用,摩擦系数小,自润滑性能好,具有不粘性,几乎耐一切酸碱等化学物质。FPFE 的硬度高,对轴的跟随性较差。通常将PTFE 与其他橡胶材料复合,FPFE常做油封的密封唇口, 这样油封的唇口具有很好的耐磨特性,同时具备高弹性,以满足油封唇口在动态密封的随动性要求。

  1)耐热性

  耐热性就是橡胶材料受热发生氧化劣化, 加速材料的老化,表现出弹性降低、硬度、拉伸强度等性能变化明显,严重热老化会发生龟裂。高速旋转的轴与油封唇口摩擦, 唇口的温度上升, 唇口温度比油温一般高30℃~40℃,轴表面在20m/s 以上时,唇口温度达200℃以上。高温下可导致油封老化而硬化和唇口龟裂,降低油封的寿命。高速旋转轴一般选用耐热性好的的氟橡胶而提高油封的寿命。

  2)耐磨性

  油封在润滑不良时, 油封唇口与轴表面产生粘附摩擦,表面接触不均匀,橡胶在轴表面上拉伸、剥离、粘附,出现摩擦力周期变化的“粘滑”振动现象。耐磨性与材料的硬度、密封面表面粗糙度、介质工作压力、载荷、运动速度以及温度等使用条件有关。材料中增加氟塑料、石墨、二硫化钼、碳纤维等等有助提高橡胶的耐磨性。

  3)耐撕裂性

  油封唇口与轴表面的摩擦实际相当于微观撕裂,如果橡胶材料的撕裂性差,导致油封的唇口容易撕裂,破坏密封,再又唇口与高速旋转的轴表面接触摩擦,唇口温度高,高温下材料的撕裂能力更差。材料中增加芳纶纤维可显著提高橡胶材料的撕裂性。

  4)硬度

  硬度是指材料表面抵抗塑性变形或破坏的能力,硬度与强度有一定的关系, 硬度低的材料表现出受力变形的柔顺性,硬度是油封橡胶材料的重要指标。利用橡胶材料硬度低而具有好的柔顺性特点, 在粗糙的密封面上变形,顺应表面形状,达到密封的目的。油封橡胶材料的硬度影响油封唇口部位的接触宽度、径向力、摩擦特性以及油封的抗压能力。一般认为橡胶材料的硬度在邵氏65~75 度合适。高转速轴采用低硬度的橡胶材料。

2.3、轴的加工质量的影响

  旋转轴的表面加工质量直接影响到油封唇口的磨损和密封性能。旋转轴的材料一般用铸铁和硬化钢,轴的表面质量主要是表面粗糙度、表面硬度、已经加工纹路等等。

  轴表面粗糙使油封唇口容易磨损, 油封使用寿命降低。轴表面光洁度太高时,密封唇与轴表面之间形成润滑油膜困难,也会使油封唇口不耐磨。一般轴表面粗糙度要求为Ra0.2~0.4μm。

  轴表面的硬度要求主要考虑轴表面不容易碰伤和刚性问题,轴的刚性好有利于油封唇口的密封。在低压油环境下(0~1.5MPa),旋转轴的硬度一般旋转轴的硬度要求达到HRC40~HRC50; 在高压油或高旋转速度(速度在15m/s 以上)环境下,有的油封厂家推荐的轴的硬度要求在HRC58~65。轴的径向跳动要求控制在0.015mm 以内, 同心度为IT8,轴公差为h11。

3、结束语

  通过上述对油封的密封机理的分析, 同时对影响油封密封性能的各方面的因素进行了阐述, 油封的密封性能与油封的结构尺寸、橡胶材料的特性、旋转轴的表面质量和加工精度等有关,在油封的应用上,必须要注意几点:

  (1)正确设计油封的结构参数,确定合适的油封唇口处的过盈量;

  (2)根据油封的使用介质、使用温度、工作压力、轴的转速情况选择合适的油封型号与油封橡胶材料;

  (3)确保旋转轴的表面加工质量和加工精度要求;

  (4)确保旋转轴与油封的装配要求;

  (5)确保无杂物流道油封唇口处。

  合理确定油封参数和材料、正确使用油封,将油封的密封特性发挥最佳,有效延长油封的使用寿命,在螺杆压缩机中将油封处的泄漏降低到最低、将泄漏量控制在要求范围内,提高螺杆压缩机的可靠性。

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