旋轉軸密封的密封機理及密封座的設計與制作

旋轉軸密封的密封機理及密封座的設計與制作

在工程機械設計中，旋轉軸廣泛應用于壓路機、分鋪機、銑床、旋轉開挖等項目的設計中。在工程機械上如何合理恰當?shù)膽眠@一密封,保證工程機械產品工作可靠,一直是困擾工程設計人員的一個核心問題,對旋轉軸密封科學、合理、長壽命的應用是對一個工程機械產品評價的重要指標之一。1軸密封機制是旋轉軸1.1臨界油膜厚度首先將旋轉軸密封圈外圈以過盈配合壓入密封圈孔座兩者之間形成一個摩擦力F密封唇的內徑小于旋轉軸的公稱直徑,產生一個壓向軸表面的徑向力再加上彈簧骨架形成的合成徑向力F(2)動態(tài)密封。旋轉軸開始旋轉時,在軸與密封唇之間形成一狹窄的滑動密封表面的接觸區(qū),密封唇的幾何形狀使接觸表面產生不對稱的力分布。這時接觸區(qū)摩擦狀態(tài)是從靜摩擦經過混合摩擦而轉變成流體動力潤滑狀態(tài),流體的動力潤滑而形成液體的動力壓膜,這是旋轉軸密封圈密封的必要條件。由于密封唇唇口控制產生的流體動力壓膜,在液體表面張力的作用下,油膜的剛度恰好使油膜與空氣接觸端形成一個彎月面,從而產生流向介質側的液體傳送效應,防止工作介質的泄漏,實現(xiàn)旋轉軸的動態(tài)密封效果(見圖3)。故油膜厚度直接影響油封的密封性能,最佳臨界油膜厚度約為1~3μm,厚度過大會引起泄漏。厚度過小可能產生摩擦引起異常溫升以及軸表面出現(xiàn)刮痕以至密封唇過早磨損使密封失效。2旋轉軸密封的選擇因素2.1旋轉軸表面的截面速度d(1)旋轉軸密封的允許圓周速度。V—軸表面圓周速度/(m/s);D—旋轉軸軸徑/mm;n—旋轉軸轉速/(r/min)。(2)下面是不同材質旋轉軸允許的圓周速度(圖4)。從上面可以看出在同一軸徑條件下,以潤滑性能良好的礦物質油為被密封的條件,并利用散熱及無壓力的情況下,用不同的橡膠材料制造油封,其允許的旋轉軸表面的圓周速度。(3)旋轉軸密封允許的介質壓力。一般的旋轉軸密封圈主要是用在介質無壓或微壓工況下使用,所以油封承受介質的壓力的能力是由結構形式以及旋轉軸轉速和軸表面圓周速度來決定。(見表1)從上表和圖4可以看出在選擇密封時,在滿足旋轉軸的圓周速度后還要考慮密封材料的材質問題,一般材質有:丁晴橡膠、丙烯橡膠、硅橡膠、氟橡膠等。2.2旋轉軸密封密封的溫度由于油封運轉中軸表面與密封唇部產生摩擦,所以,密封唇口的溫度T在這要指出的是密封唇口的溫度是一個允許的連續(xù)溫度,隨著轉速的提高,軸表面的圓周速度增大,以及密封唇的壓力增大,會使唇口的溫度上升,故在考慮帶防塵唇時,比不帶防塵唇會出現(xiàn)高于20℃的溫升,因此,防塵唇口溫度比油池溫度要有大致40℃的溫差。3旋轉軸的設計3.1響因素及要求分析(1)軸表面接觸區(qū)要求。軸表面的接觸區(qū),分為單唇(無防塵唇)與雙唇旋轉軸表面接觸區(qū)域的設計(圖5)。在設計旋轉軸密封表面長度時,根據德國DIN3760標準下列分別是單唇和雙唇密封旋轉軸的涉及范圍數(shù)值見(表2)。(2)旋轉軸的表面硬度要求。其表面硬度對有效的密封和理想的使用壽命具有重要影響因素,根據德國標準DIN3760要求旋轉軸表面接觸區(qū)的硬度HRC45,在圓周速度超過4m/s,則硬度為HRC55-HRC60。旋轉軸表面淬火硬度層應不小于0.3mm。(3)旋轉軸的表面加工要求。旋轉軸表面接觸區(qū)的硬度加工要求對有效密封和理想使用區(qū)壽命具有重要意義,所以軸表面在磨削加工時因避免出現(xiàn)螺旋線紋理方向,最好采用切入磨削或棍子擠壓加工,使軸表面加工紋理方向呈現(xiàn)多方向或近似放射形為最佳。軸的配合公差h11和圓度公差:IT8;軸的配合公差:Ra:0.2~0.8μm;軸的圓度公差:Rz:1~4μm軸的表面粗糙度:Rmax≤6.3μm;軸的倒角尺寸:15°~25°。(4)油封安裝孔座加工要求。a.油封安裝孔座:配合公差H8;b.油封孔座孔內表面粗糙度:①骨架外包橡膠:軸的配合公差:Ra:1.6~6.3μm;軸的圓度公差:Rz:10~20μm;軸的表面粗糙度:Rmax≤25μm。②外露骨架:軸的配合公差:Ra:0.8~3.2μm;軸的圓度公差:Rz:6.3~16μm;軸的表面粗糙度:Rmax≤16μm。4油封的安裝安裝前,清洗軸表面和安裝座孔以及油封,并涂潤滑脂或油液。油封的密封唇口,如帶防塵唇和密封唇其間隙中應涂敷潤滑脂或油液。軸和座孔有棱角的應倒角或倒圓,油封安裝中要通過螺紋、鍵槽、花鍵等部位,應注意防止密封唇口損傷。油封裝入孔座時應選用專用工具推入,以免油封扭曲,如非專用工具或器具安裝時則壓入力盡可能施加在油封周邊上。安裝后,油封內圓中心與軸的中心應符合允許的動態(tài)同軸度(見圖6豎軸表示偏差橫軸表示轉速)和軸與密封安裝座孔之間的靜態(tài)同軸度(見圖7豎軸表示偏差橫軸表示軸徑)要求。油封可用座孔的端面或孔用擋圈作為軸向定位,但應保證與軸線成直角。5旋轉軸系統(tǒng)優(yōu)化設計的必要性旋轉軸密封在工程機械上應用較廣,