油封简介及分类

发布时间：2014-12-22 10:32:07 人浏览来源：橡胶技术网

（一）、油封简介

油封主要用于旋转运动封油的密封件，大多数主油封，都装有弹簧作为密封接触压力的主要来源。由于金属弹簧的耐性、耐疲劳性（长期使用无应力衰减），以及它的可调性（弹簧长度的调）好，同时由于油封唇口部位不像“O”形圈那样直接装在沟槽里，而是通过一定柔性的腰部与骨架相连，这样它具有一定的随应性（即加工精度不需像“O”形那样高，允许一定的偏心度），新的油封很广泛用于一般的旋转密封，并经过不断研究，新型的、寿命长的、速度高的油封也正在研制开发。

常用油封结构形式和特征

类型	特征
单唇口型	最常见形式，用于无尘环境，压力0.2－0.3公斤／厘米2
双唇口型	有防尘唇，用于无尘环境，两唇之间填润滑油
无弹簧型	用于密封润滑脂或除尘，3-5单唇型并用
耐压型	一般耐压3公斤／/厘米2，骨架延伸腰部或唇部
抗偏心型	腰部呈W型，可在偏心较大的部位密封
往复型	往复运动用，主唇封油，外唇保护油膜
两侧密封型	同时可两侧封油，不使两种润滑油混合
单向回流型	正转能将要漏的油回流，适用于高速密封，反转加速漏油
双向回流型	可正反转密封，适用于高速密封

（二）油封密封原理

1、边界润滑理论：就是油封装配后至工作状态时，唇口与轴的接触面之间，形成一层油膜，油膜的厚度随径向力的大小而变化，当油膜厚度在一寂静的范围内（平均厚度约为2.5,波动约20-50%,这一厚度随油的种类不同而异）,可以获得密封效果,这一油膜称之为“边界油膜”它与被密封面对油的吸附能力有关,一量泄漏,就意味着边界油膜被破坏,形成流体油膜或干摩擦(最终导制流体油膜)。一般情况,接触压力呈现尖锐状分布更利于密封,(见图)

2、表面张力密封理论:认为在接触面上，油膜有一定的厚度而不发生泄漏，是由于油膜存在着表面张力的结果。（如图）

唇口下面有一层封闭油膜（厚度约0.003毫米）一方面起到润滑作用,另一方面油膜的厚度刚好是以在唇口大气一侧形成弯月面,只要这一弯月面存在，表面张力就可以阴止油液的泄漏,按这一理论,油对被密封表面的“润滑”性愈差,接触面的接触宽度愈大.油的压力差愈大,表面张力的作用更容易获得密封,但实际上,对于一般形状的油封,接触宽度大是对密封不利的,这是由于加工精度因素影响,接触宽度愈大,摩擦愈厉害,不易保持油膜的原因.

(三)油封的结构设计:

1、油封的径向力与各部尺寸的设计：径向力是指油封紧箍在轴上的紧箍力，它来源于弹簧与唇口部位的收缩，及油封腰部的变形。径向力有全径向力和单位周长径向力，它们的关系如下式：

全周径向力P_∏=∏d₁p_r

式中：P_∏—-全周径向力（克）

d₁—轴径（厘米）

p_r—单位周长径向力（克／厘米）

径向力是控制油封质量的一项重要指标，过大，过小都将影响密封效果，通过试验总结推荐的适宜径向力范围列入下表

轴径（毫米）	总径向力（公斤）		单位周长径向力（克／厘米）
轴径（毫米）	最低	最高	最低	最高
40 60 80 100	1.6 1.7 2.8 3.1	3.2 3.7 5.8 6.5	121 90.2 111.5 98.5	242 196.3 230.9 209.0

一般高速油封P_r(单位径向力)在100克／厘米左右,低速油封可以取高一些,油封的径向力的大小除了通过实际测量,修正外,在设计时还可以进行计算,如下式

P_r= P_过盈_量+P_腰+P_弹

式中: P_r =单位周长的总径向力克／厘米

P_过盈_量－唇口部的过盈量引起橡胶收缩,作用于轴上单位长度的径向力.

P_腰－油封腰部变形而引起的单位长度的径向力克／厘米

P_弹－弹簧收缩引起的单位长度的径向力克／厘米

P_过盈－n₁EF／R₁²=（D₁-d）EF/2R₁²

式中：E-油封胶料伸张性模量克/厘米

R₁－轴半径厘米

D₁－轴直径

d－油封自由状态内径厘米

n₁－油封过盈量的一半

n₁= D₁－d/2;( D₁- d) －过盈量

F－唇口部位的断面积厘米2

P_腰=n₁ES₁³/4L₃

式中：S₁－油封腰部厚度厘米

L－油封腰部厚度厘米

P_弹2（T+P₀）/D₂

式中：P₀－弹簧预应力克

D₂—弹簧工作状态的内径厘米

T—弹簧工作状态的张应力克

T=L₁D₄⁴G/64nr³

式中：L₁—弹簧工作状态的拉伸长度厘米

G—弹簧钢材的扭转弹性模量克/厘米2

d4—钢丝直径厘米

n—弹簧的圈数

r—弹簧的平均半径：r=d₃-d₄/2

d₃—弹簧外直径

各尺寸参照图（略）

影响油封存的径向力的大小，其中弹簧是主要的，约占总径向力的70-80%，它决定于胶料的弹性模量E，过盈量（D₁-d），以及唇口部位与腰部的几何尺寸，而这些几何尺寸多受油封规格的限制，不能任意调整，采用调节胶料的弹性模量（或硬度）来调节器节径向力也不是主要目标。胶料的模量主要从油封的密封性能、寿命、环境等来考虑的。径向力的计算虽然是近似的，但它从理论上反映了径向力的本质，对油封的设计有指导意义。油封各部位尺寸的设计，参照下列各表

封油弹簧圈各部位参考尺寸单位：毫米

油封内容

＜18

＞18－30

＞30－50

＞50－80

＞80－120

＞120－180

＞180

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.6

0.7

1.6

2.2

2.5

3.0

3.5

4.0

d₂

D₁+1

D₁+2.0

D₁+2.5

∏d₂+L^’±1.0

∏d₂+L^’±1.5

∏d₂+L^’±2.0

L^’

2.5

3.0

3.5

4.0

5.0

注：D₁为轴径

2、油封的磨擦扭矩：橡胶的摩擦特性与其他刚体不同，影响的摩擦因素较多，特别受温度和作用的时间影响较大，而对一般刚体材料则不需要考虑。它可以在较大的温度范围（例如金属与金属的摩擦）测量出相同的摩擦系数，同时在接触面上两物体停置的时间（作用时间）长短也不影响其数值。因此对于橡胶的摩擦特性不能采用一般的物理上的概念进行准确有效的测量出它的摩擦系数。对油封来说，一般只能在特定的条件下，测量它的摩擦扭矩M，通过摩擦扭矩计算出摩擦系数，控制适当的范围。

M=∏DMP r

式中：M-摩擦扭矩，D1-轴径，P r-径向力，µ-摩擦系数

油封摩擦系数

滑润油	最低	最高
2#润滑油 1#锭子油 3#陆用内燃机油 2#气缸油	0.3 0.2 0.3 0.4	0.8 0.45 1.0 1.2

在表中，是ρ+0油封的摩擦系数，随着轴径的增加，摩擦系数与轴径的1/3次方或正比的增加。若摩擦扭矩（或摩擦系数）太大，导致唇口温升增加，油封易磨损，使用寿命降低；若太小可能径向力太小，接触油膜太厚，易形成流体油膜而导至泄漏。

3.油封唇口温升：油封接触面与轴产生相对回转，摩擦生热，而橡胶又是热的不良导体，在唇口就会产生局部温升，温升的大小与轴的速度，轴径、胶料的性能，油的种类，径向力的大小有关。若其它条件固定，温升与轴径D1和角速度ω的关系以下式表示：

△TɑɑD11/2ω2/3

胶料种类对温升的影响如图示。油封唇口的温升情况，是以等温线的形式分布的，如图七在油封与轴面接触的最尖处温度最高，胶料设计的使用温度范围应该考虑唇口的最高温升，否则唇口部位老化裂口，降低油封的使用寿命。

4.油封胶料的硬度：油封胶料的硬度，直接与胶料的弹性模量有关。硬度的变化影响到油封唇口部位的接触宽度，径向力，摩擦特性等，一般认为油封胶料的硬度在65º--75º（邵氏）为宜过高或过低对密封都不利。我们指的硬度为常温测量的数值，要注意在实际使用中的差异，硬度是会随温度，使用时间及油的种类不同而变化。

5.油封唇口的接触宽度，唇口接触宽度影响径向力的分布，摩擦特性，通常控制接触宽度在0.25毫米以下，同时在使用过程中，接触宽度仍要增加，增长的速度与胶料的耐磨性能和蠕变性能有关。

6.偏心距离：油封内园和外园两个园心偏离的距离，偏心距大运转过程中受力不均，同时振动加剧，降低油封的使用寿命（应注意油封本身的偏心和油封座及轴的机械加工或安装的偏心，影响的结果是一样的）。一般要求油封名义内径在50毫米以下者，取大偏心距不得超过0.3毫米。这里所提的是油封本身的要求，如果是设备本身，偏心距大可选用型防偏心油封。

7.介质的压力：一般油封使用的介质较低，在0.3-0.6公斤/厘米，压力增加油封使用寿命，若压力较大，需要设计耐压油封，或者设计耐压支承圈

（四）其它油封：

近年生产的回流油封，为制造高速和长寿命的油封，开辟了新的途径。它的工作原理如图十所示，一个是内孔高度光滑的金属轴套，另一个是刻有螺纹的金属旋转轴，它们之间有很小的间隙（约0.5毫米），当轴转动时，在系统中形成两股液流（向内、向外），一般是螺旋的推移，由于粘附力切力作用，将一定粘度的介质推向内流，当内向流量等于或大于外向流量时，便可实现密封。但若反向转动，螺纹沟便会将介质泵向大气一侧。这种密封原理就是回流油封的工作原理，只要将螺旋刻在油封的唇口上，轴面是光滑的，在运转时同样可以密封。

1.单向回流油封

反弹向回流油封，为了停机时不漏油，设计有静唇边，在一定的径向力的作用下，静唇边与螺旋凸条同时与轴相接触，在旋转时（如图旋转方向），没同样存在两种流向，一是透过静唇边向大气方向一侧泄漏，另一种是油经螺旋凸条的推移，将泄漏的油透过静唇边流向油侧（称之为回流），只要回流油量等于漏油量就可以获得密封，回流的油之所以能够克服静唇边的阻力，流向油侧，是积在螺旋凸附近的油压逐步升高所致。（相当于一个泵的作用）但若反转，螺旋凸条就会将泄漏的油，加速流向大气侧，就起不到回流的作用。如果在反转时静唇边仍能起密封作用的话，也可以保持不漏，但往往这种设计的静唇边密封能力是不够的，只能适合在低速时反转（如汽车倒车的反转）由于这种油封适合单向旋转，所以称之为单向回流油封。

2.双向回流油封

以同样的速度正转，或者反转都可以回流，获得同样的密封效果，目前这种油封仍在继续研究，按所试验的种类来说有三角形，波纹形作用原理和单向回流的原理类似。

图十二在油接触带区，没有间隔的三角凹穴相平行的一边凸棱都相当于螺纹凸条，这样就构成了双向回流的螺纹凸条，而未被切断的周向连续接触带，相当于静唇边。当轴如图所示的方向旋转时，透过静唇边的油进入三角凹穴处X的一边（X）油压以Xa至X0是逐渐增中的，最后透过静唇边产生回流。而沿三角穴区的另一边（Y），产生负压有将油透过静唇边，向大气一侧泄漏的趋势。压力分布如图Ya至Y0的情况，但透过的油，马上被转轴带向X一侧面回流。只要回流量等于漏油量就可以达到双向回流的目的。停止转动时，静唇带又可以密封。根据这一原理设计的油封还有波纹形双向回流油封。

回流油封（或称液压动力油封），它的最大特点刘在接触面得到很好的润滑。随着转速的增加，回流的油压迅速增加，克服静唇径向压力，油液在接触面上进进出出，既减少了接触面的摩擦，而带走了由于摩擦所积累的热量，所以唇口温升低，当停止转动时，静唇又可以有效的密封（波浪级油封的连续的波浪筋条又可起静唇的作用），所以这种类型的油封可使用在高速旋转的场合，而且有很长的使用寿命。

转自：橡胶技术网，橡胶行业门户网站！

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