陶瓷工厂常用液压密封件的密封机理及其探讨

蔡祖光

摘 要：本文介绍了陶瓷工厂常用液压密封件的材质及其构造，详细论述了陶瓷工厂常用液压密封件的密封机理。

关键词：液压密封件；材质；构造；密封机理；探讨

1 前言

液压传动装置具有体积小、重量轻、惯性小、响应快、运动速度大、运行平稳、能传递较大的作用力等特点，而且还具有操作控制方便和易于实现各工序的自动化等优点，所以液压传动装置已广泛应用于国防和工农业生产各部门。如：日用陶瓷工厂广泛使用的输送陶瓷泥浆的液压柱塞泵、陶瓷泥浆脱水操作的液压压滤机，以及烧成日用陶瓷制品隧道用的液压推车机，墙地砖工厂广泛应用的输送泥浆进入喷雾干燥器制粉使用的液压柱塞泵、粉料压制成形用的全液压自动压砖（坯）机及加工陶瓷拼花制品应用的（超）高压水射流切割机以及卫生洁具行业注浆成形广泛应用的低压快排水、中高压排水设备等。然而，这些生产设备的液压传动系统昼夜不停地频繁快速运动（如：陶瓷墙地砖砖坯的压坯运动）。因此，在生产过程中稍有疏忽易于损伤损坏液压密封件，从而造成液压油的泄漏。液压油的泄漏不仅影响陶瓷工厂液压传动装置的工作性能和生产效率，而且还污染生产环境和浪费资源等。因此，积极研究和探讨陶瓷工厂常用液压密封件的密封机理，努力提高陶瓷工厂常用液压密封件的密封性能，能最大限度地减少墙体陶瓷工厂生产设备因常用液压密封件的损伤损坏而造成的泄漏，对提高陶瓷工厂生产设备的利用率及企业的经济效益等具有非常重要的作用。

2 液压密封件的材质

液压传动系统中的密封材料大致可分为固态密封材料和液态密封材料两大类，其中，固态密封材料又可大致区分为非金属密封材料和金属密封材料。非金属密封材料又可细分为石墨、皮革、石棉、毛毡、软木、玻璃纤维、陶瓷纤维、聚酯纤维、酚醛纤维、芳纶纤维、锦纶纤维、碳纤维、橡胶、石棉橡胶和树脂型密封材料等；金属密封材料主要是铜、铜合金、铝、铝合金、铸铁、低碳钢、不锈钢、耐热合金钢及贵金属等。液态密封材料主要是指橡胶基胶粘剂、树脂基胶粘剂和无机胶粘剂以及用作软填料密封件浸渍用的浸渍剂和添加剂等。目前，用于制作常用液压密封件的材料主要是橡胶、合成树脂、石棉、石棉橡胶、金属密封材料和金属—非金属组合型密封材料。

2.1 橡胶

橡胶是指在使用温度范围内处于高弹性状态的高分子材料，它在较小的外力作用下能产生很大的变形，当外力的作用去除后，橡胶又能立即恢复到原来的状态。橡胶可大致区分为天然橡胶和合成橡胶两大类。天然橡胶是橡胶树上流出的胶乳，经凝固、干燥等工序制成的弹性团状物。天然橡胶的主要成份是橡胶烃，橡胶烃就是异戊二烯的聚合物。由于天然橡胶的产量及其质量远远不能满足工农业生产和人们生活的要求。因此，人们利用化学合成的方法制造出与天然橡胶性质相似的或更优越的橡胶就称之为合成橡胶。

合成橡胶是目前应用最广泛的高弹性密封材料，其品种繁多，但在液压传动系统中广泛应用的密封材料主要是丁腈橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶、氟橡胶、乙丙橡胶、聚氨酯橡胶、聚丙烯酯橡胶、氯醇橡胶和氯磺化聚乙烯橡胶等。

2.2 合成树脂

通常用于制作液压密封件的合成树脂主要是聚甲醛、尼龙及填充聚四氟乙烯等，但目前应用最广泛的合成树脂仍是填充聚四氟乙烯。填充聚四氟乙烯是在聚四氟乙烯的单体中加入适量的石墨、二硫化钼、青铜粉及玻璃纤维等填充物质而构成的高分子材料。由于聚四氟乙烯分子中的碳原子被卤簇元素中负电荷最强的氟原子紧密包围起来。因此，聚四氟乙烯的化学稳定性非常好，并具有良好的耐油性、耐压性和耐磨性，使用温度常为-100℃～260℃。同时，因聚四氟乙烯分子之间的范德华力又非常小，显然其粘性及摩擦系数也极小，即使在少油或无油润滑的条件下也能正常工作，所以，填充聚四氟乙烯特别适宜制作高压及超高压（≥32MPa）高速运动（≤5m/s）液压动密封件及其导向支承元件等。

2.3 石棉及石棉橡胶

石棉不是矿物学的名词，而是商业性的术语，它是由六种具有商业用途的矿物的总称，即指具有高强度、高挠性、耐酸碱、耐火烧、绝热、绝缘和可纺织性的矿物产品。用于制造液压密封件的石棉材料主要是石棉橡胶板、油浸石棉盘根和石棉橡胶盘根。石棉橡胶板主要制作低压的密封垫，石棉盘根和石棉橡胶盘根主要制作低中压填料密封件（也称盘根密封件）。

2.4 金属密封材料

目前，金属密封材料通常制作液压传动系统的密封垫和○形空心金属密封圈等静密封件，如：紫铜、铜合金、铝、铝合金、低碳钢、不锈钢等塑性材料。特别是高压和超高压系统（如：工作压力高达400MPa的超高压水射流切割机）中的所用静密封几乎都是采用金属材料密封垫，例如：采用紫铜垫进行静密封。

2.5 金属—非金属组合型密封材料

目前，金属—非金属组合型密封材料主要用于制作液压传动系统的密封垫。如：不锈钢带缠绕式垫片（不锈钢带—特制石棉带、不锈钢带—柔性石墨带、不锈钢带—聚四氟乙烯带）和金属包垫片（包皮材料为；铜、铝、软钢、不锈钢和蒙乃尔合金，填充材料为：石棉、玻璃纤维、陶瓷纤维、聚四氟乙和柔性石墨）的压缩性和回弹性好，易于制造及价格便宜，通适常用于法兰连接液压管路结合面之间的密封。同时，组合密封垫（低碳钢——橡胶）适用于矿物油、水等螺纹连接液压管路中，供焊接式、卡套式、扩口式管接头及螺塞等结合面密封采用。

3 液压密封件的构造

目前，液压传动系统中常用液压密封件按密封结合面之间是否具有相对运动，可大致区分为静密封件和动密封件。若密封结合面之间产生往复运动，那么其使用的密封件称为往复运动液压密封件（简称滑动密封件）；显然，若密封结合面之间产生旋转运动（也称回转运动），那么其使用的密封件称为旋转运动液压密封件（简称回转密封件）。因此，常用液压密封件按其构造形式可大致区分为：密封垫、填料密封件、自封式压紧型密封件（也称挤压型密封件）、自封式紧密型密封件（也称唇形密封件）、组合密封件及防尘密封件共6类。

3.1 密封垫

液压传动系统中常用密封垫主要有石棉橡胶密封垫、橡胶密封垫、金属密封垫及金属-非金属密封垫。密封垫主要用于法兰连接液压管路和螺纹连接液压管路结合面之间的密封，它是依赖外力（螺纹连接的压紧力）作用下迫使密封垫产生弹性、塑性或弹塑性变形，实现结合面之间的密封。其中非金属密封垫的密封压力较低，金属-非金属密封垫次之，金属密封垫的密封压力最高。

3.2 填料密封件

填料密封件可以制作成多种结构形式，如：方形截面的浸渍纤维绳或合成橡胶等模压成形的密封环。但常用的填料密封件，俗称盘根，通常是指采用方截面纤维绳缠裹在轴或杆件上，在压紧力的作用下实现密封作用的液压密封件。其实盘根是由较柔软的线状物编织而成的截面为正方形的条状物，然后将其装填在轴和填料箱之间的空腔内，在填料盖的轴向压紧作用下，迫使盘根向径方向延展而堵塞密封间隙，实现密封的作用。通常盘根密封的摩擦阻力大，磨损快，仅适用于制作密封压力较低、速度较小的低压低速液压缸用滑动密封件和低压低速回转密封件。如密封压力要求较高、速度较大的中速中压液压缸用滑动密封件，已逐渐被唇形密封件所取代。

3.3 挤压型密封件

目前，液压传动系统常用的挤压型密封件主要是○形橡胶密封圈（也称圆形密封圈）、方形（矩形）橡胶密封圈[也称方形（矩形）密封圈]、X形橡胶密封圈（也称星形密封圈，如图1所示）和○形空心金属密封圈（也称圆形空心金属密封圈，如图1所示）等，它们具有结构简单、易于设计制造、安装和拆卸方便及成本低廉等优点，因此它们是液压传动系统中广泛应用的静密封元件和动密封元件（○形空心金属密封圈除外，它只能用作静密封件），用作滑动密封件时，具有双向密封作用，但为了减少摩擦阻力和避免○形橡胶密封圈的扭曲变形（俗称翻转）等，○形橡胶密封圈用于动密封时，很少单独使用，通常需与唇形密封件或其它结构形式的密封件组合使用，以提高其密封性能和使用寿命。

○形空心金属密封圈就是将薄壁金属管（如：壁厚为0.25～0.5mm，最大也不超过1 mm的低碳钢管、铝管、铜管、不锈钢管和蒙乃尔合金管等）弯成圆形后，再把接口焊接起来所成的金属薄壁圆环。主要是依靠薄壁金属管压扁后，其断面的弹性变形所产生的回弹力迫使结合面达到严密接触，从而实现密封的。因此，○形空心金属密封圈适用于高温、高压、高真空度和低温等环境工况条件下的静密封。

3.4 唇形密封件

目前，液压缸常用的唇形密封件主要是V形夹织物橡胶密封圈、U形夹织物橡胶密封圈、Y形橡胶密封圈及YX形橡胶密封圈等。唇形密封件都是依其本身（橡胶）的弹性、塑性或弹塑性变形对密封表面产生较高的初始接触应力，阻止无压力液体的泄漏。当液压传动系统工作时，压力液体挤压并有效地撑开其密封唇部，使之进一步紧贴密封表面而产生较高的随压力液体的压力增高而增高的附加接触应力，结果附加接触应力与初始接触应力一起共同阻止压力液体的泄漏。但考虑到唇形密封件的密封唇部接触面积较小，易于磨损，磨损后又显著降低其密封作用，因此，对于工作压力要求较高、速度较大的高速高压液压缸用滑动密封件，已逐渐被组合密封件所取代。

3.5 组合密封件

目前，液压传动系统常用的组合密封件主要是由自封式压紧型密封件（也称挤压型密封件）中的○形橡胶密封圈与矩形密封圈、Y形密封圈及其他特殊形状密封圈的叠加使用构成的组合密封件或其他特殊形状的组合式密封圈等。墙体屋面材料生产设备常用的组合密封件主要是蕾形密封圈（○形橡胶密封圈与Y形夹织物橡胶密封圈的叠加使用，如图2所示）、鼓形密封圏[鼓形夹织物橡胶密封圈与两个填充聚四氟乙烯支承环（俗称L形环）的叠加使用，如图3所示]、同轴密封圏（如：格来圈、斯特封，如图4和图5所示）和滑环式组合密封圏（如：C形滑环组合密封圈，如图6所示）等。

组合密封件也是依其弹性元件（如：○形橡胶密封圈）的变形对密封表面产生较高的初始接触应力，阻止无压力液体的泄漏。当液压传动系统工作时，压力液体进一步挤压○形橡胶密封圈，迫使其弹性、塑性或弹塑性变形并始终最大限度地挤压橡胶型或填充聚四氟乙烯型特殊形状的密封圈，使之进一步紧贴密封表面而产生较高的随压力液体的压力增高而增高的附加接触应力，结果附加接触应力与初始接触应力一起共同阻止压力液体的泄漏。并且摩擦阻力较小，工作平稳，又易于安装、拆卸和维修等。因此，目前陶瓷工厂生产设备等中高压、中高速、频繁运行的液压缸传动系统中广泛应用的液压密封件几乎都是组合密封件，如：蕾形圈、鼓形圈、格来圈、斯特圈及滑环式组合密封圈等。

3.6 防尘密封件

防尘密封件就是防止和阻止外界雨水、水蒸气、酸雾、冰雪和粉尘等尘埃颗粒通过相对运动耦合面侵入液压传动系统中去的密封件。用于液压缸活塞杆等伸缩运动外露零部件的防尘密封件通常简称为防尘圈，而用于液压马达旋转轴等旋转运动外露零部件的防尘密封件通常简称为油封。防尘圈和油封一般是由弹性良好的橡胶材料制造的，因为弹性良好的防尘密封唇始终贴紧相对运动耦合面，能达到阻止外界杂质（如：雨水、水蒸气、酸雾、冰雪和粉尘等尘埃颗粒）侵入液压传动系统中而污染液压油，加速液压密封件的磨损导致其密封失效，从而造成液压油的泄漏，严重影响液压传动系统的工作性能等。

（未完待续）