螺桿壓縮機油封的密封特性影響因素分析

2014-08-28 文命清寧波鮑斯能源裝備股份有限公司

　　該文對闡述了油封的密封機理，對影響油封密封特性的幾個因素進行了分析。對合理、正確使用油封提出了一些注意點，在螺桿壓縮機上正確應用油封,提高油封密封性能和使用壽命具有一定指導意義。

　　油封是維持軸承壽命和保障機械設備正常運轉的關鍵元件，旋轉軸唇形密封件就是通常說的油封，一般說的油封指的是骨架油封。油封的作用是將傳動部件中需要的部件與輸出力部件隔離，不讓潤滑油泄漏。油封在機械行業(yè)的應用非常廣泛，在開啟式螺桿空壓機中在螺桿轉子與電機軸相連接處采用油封進行密封，阻止?jié)櫥拖蚩諝鈧刃孤?在半封閉的制冷螺桿壓縮機中，也有在螺桿轉子處采用油封，阻止?jié)櫥拖螂姍C側泄漏。油封由于結構簡單、拆裝方便、密封可靠等特點而在螺桿壓縮機中應用較多。潤滑油的泄漏會引起壓縮機缺油，影響壓縮機可靠性，因此真空技術網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認為油封密封在螺桿壓縮機的應用上也是一個備受關注問題。

1、油封的密封機理

　　油封具有柔性唇，在金屬骨架的支撐作用下，靠密封刃口施加給軸的徑向力，防止?jié)櫥偷男孤�。油封在使用過程中，在旋轉軸與密封唇表面間存在一層薄的潤滑油膜，密封油膜能防止密封唇表面損壞。在曾經(jīng)提出的眾多的油封密封機理中，普遍得到認同的油封密封機理為“泵吸效應”，也就是油封具有將貯油側流向空氣側的油吸回到貯油側的能力，這樣油封阻止?jié)櫥托孤?/p>

　　圖1 為油封結構與安裝示意圖，α 為唇前角，即油封與貯油側形成的角度，β 為唇后角，即油封與空氣側形成的角度，且α>β。在旋轉軸轉動時，在空氣側和貯油側產(chǎn)生壓力變化，形成壓力差，從而使得潤滑油單向流動。油封唇口與旋轉軸配合時具有一定的過盈量，唇口接觸壓力在旋轉軸的軸向方向呈不均勻分布，旋轉軸轉動時，油封唇口表面材料沿著摩擦方向產(chǎn)生彈性變形，以唇口壓力最大處為分界線，形成沿螺旋方向不同的兩部分彈性紋路，如圖2 所示的反旋段L1和正旋段L2，紋路段L1和L2構成了輸送油液的微觀通道。在L1>L2時，潤滑油流向圖1 所示的貯油側，油封能有效防止?jié)櫥偷男孤�；在L1<L2時，潤滑油流向空氣側，油封則出現(xiàn)泄漏。由此可見，油封唇口的接觸應力大小和唇口區(qū)的設計影響油封的密封效果。

螺桿壓縮機油封的密封特性影響因素分析

圖1 油封結構及安裝示意圖　　圖2 油封唇口表面微觀結構

　　油封的唇口兩側為錐狀結構，在離心力作用下，開放型錐狀油腔中的油液產(chǎn)生螺旋狀流動和渦流，這樣產(chǎn)生指向唇前區(qū)貯油側的抽吸壓力，形成密封作用。潤滑油泵回貯油側的速度用V 內(nèi)表示, 潤滑油泵向空氣側的速度用V 外表示，根據(jù)相關研究資料，則V 內(nèi)和V 外分別表示如下：

螺桿壓縮機油封的密封特性影響因素分析

　　式中Pr———徑向力，N；　h———油膜厚度，mm；　u———流體粘度，N·s/mm2；　B———唇口接觸寬度，mm。

　　由于α>β，根據(jù)式(1)和式(2)可知，則V 內(nèi)>V 外，也就是流向空氣側的潤滑油能有效地被泵回貯油側，阻止?jié)櫥偷男孤��？梢娪头獾慕Y構也是影響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設計方式。

2、油封密封特性的影響因素分析

　　油分密封性能與油封的結構尺寸、油封的材料、油封的裝配、軸表面光潔度等因素有關。在螺桿壓縮機中合理選擇、正確使用油封對提高油封的密封性和油封的使用壽命是很重要的。

2.1、油封結構尺寸的因素的影響

　　真空技術網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認為油封影響密封性能的主要尺寸有：唇口直徑、唇口接觸寬度、唇前角和唇后角、腰厚和腰長等等。

　　1)過盈量

　　過盈量是油封的唇口直徑與軸徑之差。過盈量使油封唇口產(chǎn)生一定的徑向力，對軸的偏心可以產(chǎn)生一定的補償作用。油封的密封唇口與軸表面是過盈配合，過盈量隨軸徑的增加而增加，如果密封唇口與軸徑為間隙配合，那油封唇口與軸表面間不能形成有效的密封帶，則出現(xiàn)泄漏。在油封唇口與軸表面過盈量過大時，在高速旋轉下，唇與軸表面間將產(chǎn)生高溫，加速唇口的老化龜裂，嚴重時油封唇口燒損，嚴重影響密封性能。選擇油封的過盈量非常重要。過盈量的選擇需根據(jù)油封的橡膠材料和軸的幾何精確度等因素確定。

　　2)唇口接觸寬度

　　如圖1 所示的B 為油封唇口接觸寬度，唇口接觸寬度為油封唇口與彈簧槽中心的軸向距離。B 值小，接觸應力集中分布，對油膜的控制有利；但B 值過小，油膜無法穩(wěn)定保持，也不利于密封；B 值大時，摩擦增加，發(fā)熱量增加；唇口寬度增加，接觸應力減小，唇口與軸間的“臨界油膜”密封作用減弱。

　　3)前唇角與后唇角

　　前唇角為如圖1 所示的α，后唇角為圖1 所示的β，油封中，密封液體是從小的接觸角側泵向大的接觸角側，前后唇角與油封的泵吸率有關，當前唇角α<后唇角β 時，產(chǎn)生向外的泵吸作用，出現(xiàn)泄漏。在前唇角α=后唇角β 時，兩側的泵吸作用相互抵消，在流體靜壓力與軸跳動的作用下，也容易出現(xiàn)泄漏。因此，油封的前唇角α>后唇角β，才能保證有效的密封。前唇角太大，則唇口太尖，很容易磨損。前唇角α一般在45°～60°之間。后唇角主要影響唇口接觸寬度，后唇角增加，接觸寬度減小。軸的轉速高時，接觸寬度要小，后唇角大些；軸轉速低時，接觸寬度要寬，后唇角小些。后唇角一般為12°～30°。

2.2、油封橡膠材料特性的影響

　　油封的密封性能的優(yōu)劣，很大程度決定于密封材料的性能。正確選用密封材料是正確設計、使用油封的首要問題。油封在高的軸表面線速度時，導致唇口溫度很高，容易造成唇口的橡膠材料老化、開裂或轉軸磨損嚴重，從而導致密封失效。油封的密封體為合同橡膠，油封密封體要求耐溫性好、耐化學介質(zhì)的腐蝕、耐磨、回彈性好。油封橡膠材料的特性對油封的性能影響很大。油封橡膠材料常用的有丁腈橡膠(NBR)、氟橡膠(FKM)、丙烯酸酯橡膠(ACM)、氫化丁腈橡膠(HNBR)、聚四氟乙烯(PTFE)等等。

　　NBR 對石油基液壓油相容性較好，作為密封材料有較穩(wěn)定的物理特性，因此在油封中使用廣泛。由于NBR 分子結構的特點，其耐蝕性、耐臭氧性、耐高溫與耐高速性能較差，正常工作溫度范圍在-30℃～+100℃，短期可到+120℃。在轉速超過5000r/min 時，油封唇口容易老化。

　　FKM 的碳原子的主鍵由氟原子置換，分子構造非常穩(wěn)定，因此FKM 的特點是耐熱性、耐化學介質(zhì)性、耐氣候性、耐油性等都很好，但其耐寒性較差。因此氟橡膠的油封一般在低溫螺桿壓縮機中使用較少。FKM 橡膠的正常工作溫度在-15℃～+200℃之間，短期可達250℃。

　　ACM 的耐熱性能介于NBR 和FKM 之間，耐油性良好，具有優(yōu)異的耐臭氧性能。工作溫度在-30℃～+175℃之間。HNBR 是由NBR 部分或完全氫化而形成的。HNBR 除了具有良好的耐介質(zhì)性能外，還具有良好的耐熱、耐氧化降解的性能。HNBR 的耐熱性能介于FKM 和NBR 之間，耐磨性優(yōu)于NBR 工作溫度在-30℃～+150℃之間。

　　PTFE 的使用溫度寬，可以在-250℃～+260℃的溫度范圍內(nèi)使用，摩擦系數(shù)小，自潤滑性能好，具有不粘性，幾乎耐一切酸堿等化學物質(zhì)。FPFE 的硬度高，對軸的跟隨性較差。通常將PTFE 與其他橡膠材料復合，F(xiàn)PFE常做油封的密封唇口，這樣油封的唇口具有很好的耐磨特性，同時具備高彈性，以滿足油封唇口在動態(tài)密封的隨動性要求。

　　1)耐熱性

　　耐熱性就是橡膠材料受熱發(fā)生氧化劣化，加速材料的老化，表現(xiàn)出彈性降低、硬度、拉伸強度等性能變化明顯，嚴重熱老化會發(fā)生龜裂。高速旋轉的軸與油封唇口摩擦，唇口的溫度上升，唇口溫度比油溫一般高30℃～40℃，軸表面在20m/s 以上時，唇口溫度達200℃以上。高溫下可導致油封老化而硬化和唇口龜裂，降低油封的壽命。高速旋轉軸一般選用耐熱性好的的氟橡膠而提高油封的壽命。

　　2)耐磨性

　　油封在潤滑不良時，油封唇口與軸表面產(chǎn)生粘附摩擦，表面接觸不均勻，橡膠在軸表面上拉伸、剝離、粘附，出現(xiàn)摩擦力周期變化的“粘滑”振動現(xiàn)象。耐磨性與材料的硬度、密封面表面粗糙度、介質(zhì)工作壓力、載荷、運動速度以及溫度等使用條件有關。材料中增加氟塑料、石墨、二硫化鉬、碳纖維等等有助提高橡膠的耐磨性。

　　3)耐撕裂性

　　油封唇口與軸表面的摩擦實際相當于微觀撕裂，如果橡膠材料的撕裂性差，導致油封的唇口容易撕裂，破壞密封，再又唇口與高速旋轉的軸表面接觸摩擦，唇口溫度高，高溫下材料的撕裂能力更差。材料中增加芳綸纖維可顯著提高橡膠材料的撕裂性。

　　4)硬度

　　硬度是指材料表面抵抗塑性變形或破壞的能力，硬度與強度有一定的關系，硬度低的材料表現(xiàn)出受力變形的柔順性，硬度是油封橡膠材料的重要指標。利用橡膠材料硬度低而具有好的柔順性特點，在粗糙的密封面上變形，順應表面形狀，達到密封的目的。油封橡膠材料的硬度影響油封唇口部位的接觸寬度、徑向力、摩擦特性以及油封的抗壓能力。一般認為橡膠材料的硬度在邵氏65～75 度合適。高轉速軸采用低硬度的橡膠材料。

2.3、軸的加工質(zhì)量的影響

　　旋轉軸的表面加工質(zhì)量直接影響到油封唇口的磨損和密封性能。旋轉軸的材料一般用鑄鐵和硬化鋼，軸的表面質(zhì)量主要是表面粗糙度、表面硬度、已經(jīng)加工紋路等等。

　　軸表面粗糙使油封唇口容易磨損，油封使用壽命降低。軸表面光潔度太高時，密封唇與軸表面之間形成潤滑油膜困難，也會使油封唇口不耐磨。一般軸表面粗糙度要求為Ra0.2～0.4μm。

　　軸表面的硬度要求主要考慮軸表面不容易碰傷和剛性問題，軸的剛性好有利于油封唇口的密封。在低壓油環(huán)境下(0～1.5MPa)，旋轉軸的硬度一般旋轉軸的硬度要求達到HRC40～HRC50；在高壓油或高旋轉速度(速度在15m/s 以上)環(huán)境下，有的油封廠家推薦的軸的硬度要求在HRC58～65。軸的徑向跳動要求控制在0.015mm 以內(nèi)，同心度為IT8，軸公差為h11。