浅谈螺旋密封原理及在电动工具中的应用

姜肖军，王俊豪

（ 1．浙江东川电器有限公司，浙江武义 321200；2．浙江永康石柱电器厂，浙江永康 321301 ）

浅谈螺旋密封原理及在电动工具中的应用

姜肖军1，王俊豪2

（ 1．浙江东川电器有限公司，浙江武义 321200；2．浙江永康石柱电器厂，浙江永康 321301 ）

介绍了螺旋密封的两种基本结构、工作原理及封液能力的计算和设计方法，得出螺旋密封无泄漏的条件。通过试验，验证了旋向问题的重要性，为螺旋密封的应用提供了经验。

螺旋密封 泵送流动 泄漏流动

0 引言

众所周知，密封的作用简单而言就是将不同的压力空间隔开。从密封的发展史上来看，这种隔开的手段一般采用接触式。接触式密封存在摩擦阻力大，寿命短，消耗动力大的特点。螺旋密封是近几十年来发展起来的一种利用流体动压反输的径向非接触式转轴密封结构，属于非接触式密封结构。工作时，密封件之间不发生摩擦，轴功率损耗和发热小、寿命长，在密封体间保持较大间隙的情况下仍能起作用。

螺旋密封已在核技术、宇航技术等尖端技术领域及高速离心式压缩机上成功应用。由于其结构简单、紧凑等特点，逐渐应用到电动工具行业中，特别是在电锤、电镐等产品上使用螺旋密封也已经得到了广泛采纳。本文就其密封原理和理论设计与计算依据作简单探讨。

1 结构简介

螺旋密封的基本结构是在密封部位的轴或孔的表面上 (或同时在两者上) 切出螺旋槽。螺旋槽若开在转动轴上，则称为螺杆式螺旋密封；若开在孔上，则称为螺套式螺旋密封；若两者的表面上同时切出旋向相反的螺旋槽， 则称为迷宫式密封。其作用和工作原理见图1。

图1 螺旋密封作用和原理

螺旋密封虽然结构简单，就其本身来说不需要任何辅助密封部件，但对其几何形状和旋向要求较严，并且对螺旋槽开在转动件和静止件上的旋向有一定要求，否则将起不到密封作用，可能加快泄漏。

如图1（a）所示，螺旋槽开在转动轴上，赶液方向向左，轴的旋转方向向左，确定轴上的螺旋为右旋。

如图1（b）所示，螺旋槽开在静止件上，赶液方向向左，轴的旋转方向向右，确定静止件上的螺旋为右旋。

无论螺纹槽开在转动件或者静止件上，在转动件旋转方向确定的前提下，赶液方向决定了螺旋方向。

2 原理浅析

螺旋密封的工作原理简单，利用泵送效应和透气效应实现密封效果。

螺旋密封的轴表面开有螺旋槽，孔为光表面，这与迷宫密封的开槽情况是一致的，也可以把螺旋密封看成迷宫密封的一种特殊形式，称为螺旋迷宫。螺旋迷宫的齿是连续的，由于齿的连续性，通过齿的介质流动状态发生变化，螺旋槽不再作为膨胀室产生漩涡来消耗流动的能量，而是由螺旋槽对液体施加一个推进力并进行能量交换，将轴的旋转动能转换成粘性液体的压力能，从而形成密封压头（即泵送效应）。该压头与被密封介质的压力相平衡，从而阻止流体泄漏。

另外，介质在通过螺旋齿顶与孔的间隙时，其一部分越过齿顶流过，而不沿着螺旋槽向流动，即透气效应。当介质通过螺旋槽的尖角时会产生局部压力损失，加上流通截面大小的变化而形成涡流，也会引起局部压力损失，这些局部压力损失减缓和阻止了介质向外流动。这一特点与迷宫密封的情况相一致，都是利用膨胀室产生旋涡来消耗流动能量进行密封。

3 设计方法

能否准确计算出螺旋密封的封液能力是螺旋密封的设计关键。螺旋密封的封液能力是指螺旋槽对粘性液体的泵送作用所产生的密封压头，该压头若能与被密封液体的泄漏压差相平衡时，则能阻止液体泄漏， 即实现零泄漏。

螺旋密封封液能力的计算方法有多种， 其中有代表性的是 Boon（布恩）、Tal（太尔）和CreaseAB（克里斯）计算方法。克里斯方法侧重实用，该方法将螺旋密封内部流动分为泵送流动和泄漏流动。

3.1泵送流动

泵送流动是槽中库塔流动，泵送流量为：

从螺旋几何形状可知：

式中 v—密封表面旋转速度

α—螺旋升角

bg—轴向槽宽

d—槽深

i—头数

bL—轴向齿宽

D—密封直径

3.2泄漏流动

泄漏流动沿两条路径产生，即沿螺旋槽和越过齿顶。两种情况下的泄漏均可通过缝隙流动公式计算：

沿螺旋槽密封泄漏量：

越过齿顶泄漏量：

总泄漏量为：

式中 ΔP—压降

η —动力粘度

h—槽半径间隙

C—同心时密封半径间隙

L—密封充液长度

H—h/ C

3.3密封能力分析

当泵送流量与泄漏量相等时 (即流量平衡)，即可说明密封无泄漏。根据此理论， 则可根据上述公式进行螺旋密封无泄漏条件下的封液能力计算。Q泵＞Q总泄漏量，可满足密封能力。

4 设计实例

已知条件：工作压力ΔP=1 000 Pa，密封直径D=18 mm，螺旋槽为M18X1.5，密封油脂的动力粘度η=35x10-6N.s/m2，螺纹圈厚度为4 mm，密封表面旋转速度v=22 500 r/min，同心时密封半径间隙C=0.2 mm，螺纹头数i=1。验证螺纹圈能否满足密封能力，进行有效密封。

根据螺纹知识M18X1.5，可求得螺纹升角α=5.0 348；轴向槽宽bg=1.3X10-3m；槽深d=0.56 P=0.84X10-3m；轴向齿宽bL=0.2X10-3m；

r=bg/(bg+bL) r=0.867 L=4 X10-3m

槽半径间隙 (d+C)：h=1.04X10-3m H=5.2

将已知参数代入公式：

求得：Q泵=678.77X10-6

Q总泄漏量=2.5X10-6

即：Q泵＞Q总泄漏量，能够满足密封能力。

5 试验验证

根据上述计算验证，制作M18X1.5的螺纹圈和M18X1.5左旋的螺纹圈，分别安装到两台C28A0电锤的电机轴端上编号为1和2，进行试验验证。

表1 实际装机考核指标

台架试验编号1，运行9 700个周期后无漏油现象，风叶风口处只有黑色的碳粉。台架试验编号2，在运行1 100个周期后出现大量漏油现象，风叶风口处冒油。

拆机检查1号机装配的是M18X1.5的螺纹圈，该电锤电机的旋转方向为左旋，无漏油，螺纹圈固定，无松动。

拆机检查2号机装配的是M18X1.5左旋的螺纹圈，该电锤电机的旋转方向为左旋，漏油严重，螺纹圈固定，无松动。

6 结语

通过探讨，基本掌握螺旋密封的理论原理和设计计算验证方法。我司6款产品（0840、0835、C28A0、1201、11E、1304）采用了螺旋密封，取得了较好的密封效果。

通过实验，也验证了旋向问题的重要性。旋向错误，密封作用无效，甚至可能加快泄漏。对于螺纹圈处于旋转件的旋向与电机的旋向必须相反，才能实现密封效果。

在螺旋密封中，间隙、几何形状、螺距、头数、螺旋角、厚度等螺旋槽的几何参数等应根据实际使用情况进行验证，灵活掌握。

[1]刘忠伟，邓英剑，刘少军，明兴祖.螺旋密封封液能力的计算及其优化[J].润滑与密封，2006(08).

[2]王者文，范宗霖，王彦明，施亮，杨海根.螺旋密封在流体机械中的应用[J].流体机械，2004(2).

On the Helix Seal Principle and Application in Electric Tools

Jiang Xiaojun1Wang Junhao2
(Zhejiang Dongchuan Electric Appliance Co.,Ltd., Wuyi 321200, China Zhejiang Yongkang Shizhu Electric Appliance Factory, Yongkang 321301, China)

Introduces two basic structures of Helix seal, working principle, the calculation and design method of sealing liquid capacity, and gets the condition of the helix seal without leakage. Through experiments validate the importance of rotation, and provide experience for the application of helix seal.

Helix seal Pump flow Leakage flow

TM08

A

1674-2796（2014）03-0014-03

2014-04-03

姜肖军（1974—），男，本科，工程师，主要从事电动工具开发及管理工作。