液压气动密封技术概述

张继军

（陕西能源职业技术学院，陕西咸阳 712000）

0 引言

随着科技水平提升，工业化进程快速发展，社会改造自然的能力显著提高，人们生活方式也发生很大变化。工业化发展过程中，密封与液压气动技术是实现工业现代化动力控制方面的关键技术。随着我国现代化建设不断加快，液压气动密封技术的作用日益凸显。国内外十分重视气动密封技术的发展，液压气动密封工业发展速度高于机械制造工业发展。目前，液压气动密封技术发展情况研究较少，介绍液压气动密封技术发展情况，对促进液压气动密封行业发展具有重要意义。

1 液压气动密封技术简述

当前机械领域自动化技术飞速发展，液压气动技术中密封技术决定液压气动技术应用水平，采用密封技术能防止液压缸等相关部件油气水泄漏，提高机械产品工作效率，对节能环保具有重要意义[1]。密封圈是冲压设备的关键部分，在制动器、气垫等部位具有关键作用，其性能直接影响冲压稳定性。我国对大型自动冲压生产线需求与日俱增，对密封圈要求不断提高，冲压设备使用密封圈面临更快速度及更长使用寿命的新要求。

自动化生产线发展中衍生出气动相关学科，密封技术是液压气动技术发展中的核心技术，可以缓解气缸等构件泄漏问题，保障机械设备运行安全，提升产品效率。当前液压气动密封技术得到快速发展，液压气动密封技术得到很大提高[2]。例如，汽车生产中要求保证发动机极高转速，发动机运行中产生较高温度，添加剂具有腐蚀性，密封技术要做出严格改善。金属冶炼中相关机械设备转速极高，液压气动技术发展需要提升相应技术水平，要求摩擦力具有很高稳定性，必须保证密封摩擦系数较低。目前国内很少有针对气动密封的研究，随着对密封圈可靠性要求提高，国内对密封圈可靠性进行广泛研究。现有研究大多针对O 形静密封圈，缺乏对Y 形圈可靠性分析，没有量化算出密封可靠度。

机电产品日新月异，对气动密封技术提出更高要求。例如，汽车发动机追求小型化，转动速度加快，使用强腐蚀性添加剂，对液压气动技术要求提高。我国深海石油钻探技术不断发展，待开采原油处于地层较深位置，温度压力逐渐增大，密封件需耐强酸及腐蚀性抑制剂侵蚀。液压传动技术发展趋势是提高控制水平，要求装置密封件具有很低的摩擦阻力，低压下要求密封件具有很低的摩擦系数，维持平稳运动。高频运转下需要具有较高寿命，传动介质水性化，对密封系统带来较多问题。必须加快液压气动密封技术研究，发展新型密封系统。机械生产受到一些因素影响，相关技术人员必须重视液压气动密封技术。

2 国内外液压气动密封技术存在的问题

密封技术在液压气动技术发展中不断进步，国外采用密封技术主要是活塞密封，主要依靠传动介质压力对密封元件张口唇口挤压达到密封目的。由于利用介质压力挤压，压球唇口张口方向要顺应介质压力方向，导致密封效果下降。

依靠橡胶密封圈弹性变形径向压力实现密封，主要依靠O形圈为弹性载体的组合密封圈，对密封圈施加预紧力产生弹性形变产生径向力，实现密封。橡胶密封圈结构密封存在较大预紧力，对单件密封O 形圈磨损较大[3]。采用组合密封由于处于形变状态，橡胶圈会失去弹性，发生老化。O 形橡胶圈采用实心结构，橡胶圈与刚面摩擦产生大量热量，聚集在密封圈，无法及时散去，使得密封圈寿命缩短。多种故障导致气缸失效，密封圈失效是重要原因。密封圈失效有多重模式，由于存在摩擦力，导致密封圈表面形貌受到影响，磨损导致密封圈直径变化；密封圈设计不合理导致工作中被挤压破坏；老化会影响密封圈力学性能，导致密封圈永久压缩变形。

气动元件密封技术是气动设备关键技术，气动密封压力与液压密封相比较低，滑动速度为0.2～0.5 m/s，气动密封寿命按滑动距离要求5000～20 000 km。气体滑动效果较差，气缸摩擦问题最重要，气动密封中有间歇润滑等方式，装配时在密封界面放入润滑脂，是一劳永逸的润滑方式。间歇润滑每周期提供润滑油，冲压线气垫使用间歇润滑方式。为保证良好润滑能力，介质运动中应不受干扰。要求接触中点具有适当最大压力值，气动与液压密封有很多不同，摩擦力对元件工作性能影响较大。由于无液体介质带走热量，导致高温积累。密封是主机关键性技术，密封零件失效会增加维修成本。密封元器件可靠性验证是产品研制的重要工作，密封圈投用前应通过系统性可靠性验证。密封圈需要通过仿真、装机实验等多个验证步骤，只有每步验证都合格才能投用。

为适应经济快速发展，解决工业介质泄漏是当务之急。液压系统密封件使用寿命是高效工作的重要指标，液压技术快速发展同时，液压输出评价在液压系统中有了更高标准。要求密封圈符合调节范围，密封圈各种工况下会产生摩擦。密封圈失效引起介质泄漏，带来世界性环境污染。国外提出无泄漏要求，必须对密封装置考虑周全，包括密封元件设计安装等，安全密封要求深入了解密封理论，考虑各种影响密封间性能的因素。

3 液压密封圈的发展

液压传动是通过为液体介质压力传递能量，各行业工业领域中液压传动形式应用广泛。工农业机械、冶金机械到海陆空各种设备都体现液压技术的重要地位。密封件性能是密封装置运转的关键，关系到液压系统控制精度。密封技术发展历史久远，人们懂得利用水利技术时开始使用密封技术。

蒸汽机的出现将密封技术带入机械元素中，密封件作为机械设备重要零件出现在工业领域。帕斯卡原理应用于工艺技术领域。18 世纪末，出现密封高技术机械设备，随着机械加工技术快速发展，19 世纪高精度加工技术得到迅速发展。水压机技术得到很大提升，19 世纪末，水压机水压改为油压，水对一些机械器件的腐蚀性是很大弊端，采用油压机械提高零件寿命是必然趋势。液压技术发展，同时密封技术不断改进。

随着工艺技术突破，合成橡胶的出现提高了密封性能。合成橡胶具有很大优势，由于皮革需进行充填处理，避免渗透。经处理后合成橡胶具有流动性等特性，对复杂密封件加工起到很大作用。密封在液压系统中具有重要作用，油液泄漏时常发生，液压系统设计时对密封圈缺乏足够重视，使用者对密封知识了解较少，只有精准设计和认真选用，才能保证密封效果。

密封失效导致泄漏带来巨大危害，引起众多事故，美国土星火箭运行中出现235 个故障，约38%原因是密封件失效。1986年美国“挑战者”号事件，航天飞机发射地点环境温度过低，降低火箭助推器橡胶圈材料硬度，密封圈与刚性壁出现10 mm 缝隙，引发航天飞机爆炸。温度对密封圈影响非常大，液压密封圈温度场分析非常必要。

4 新型液压气动密封技术

目前，传统液压气动密封技术有很大劣势，新型液压气动密封技术必将出现。常见的液压气动密封技术有内腔介质压力自补偿密封技术，以及海洋机械密封技术。

传统液压气动密封技术需借助推动活塞的介质，使用内腔介质压力补偿型密封技术能克服传统技术的不足。新型密封技术通过内腔实现密封圈挤压，降低密封圈值产生压力。新型密封技术是形成介质运作内腔，需借助缸体活塞部位活塞沟槽，内腔介质承压力径向进入介质工作内腔，保证缸面表面与密封圈牢固粘住。

新型密封技术效果显著，密封圈径向力增大，密封圈材料承受在最大压力限度内，达到最佳密封效果。相比唇口密封圈技术，内腔介质压力自补偿型密封技术不会出现张口磨损现象。内腔介质压力自补偿密封技术作业面有很多凸台和道，密封相当于迷宫，提升密封构件最大承受力。新型密封技术稳定性很强，相比以往O 形密封圈技术，在承受介质压力较小时，采用新型密封技术，密封效果时间较长。

海洋原油勘探应用各种液压气动技术，核心密封技术必不可少。由于深海环境特殊，原油勘探不能单纯使用O 形密封圈技术，机械密封技术非常重要。海洋机械密封设备采用旋转设备轴封装置。环在轴带动下进行旋转时静环固定，密封效果依靠动静环接触面产生滑动摩擦力，实现密封。海洋机械密封装置使用中产生端面磨损，可通过O 形圈强化密封效果。壳体与动静环有间隙，出现介质泄漏，加入O形圈可降低泄漏情况。海洋原油勘探中采用气动密封可保障其密封性，密封技术有很强的恶劣环境耐受性，对温度因素有很大适应能力，可通过补偿器装置提高密封效果，防止海水渗入。水下勘探作业机器人使用液压系统通过多组件相连接，海洋勘探机械装置加入补偿器，不会增大油的体积，使得内外压力平衡。海洋机械密封结构如图1 所示。

图1 海洋机械密封结构