大型密封圈的安装和密封效果检测方法研究

陈竟飞

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225101)

0 引 言

弹簧蓄能型密封圈的应用越来越广泛，它利用弹簧蓄能原理增加预紧力达到最好密封的效果，因此对密封面和同心度有较高要求。在对大直径的弹性体进行安装时，由于安装均匀性不好，容易使大直径弹性体局部变形损伤，进而造成个别点渗漏，对工程应用来说这是一个值得研究的课题，因此，通过一定的安装和检测手段确保其密封性能就显得尤为重要，也是其应用扩展的基础。本课题最早的需要来源于浸油式大型输电滑环的动密封设计，虽然该装置已经采用了新型环形结构从而大大减少了漏油对设备造成的危害，但顶部的局部渗漏仍然是亟待解决的难题。

目前，蓄能型密封圈在国外应用较为普遍，其大直径的应用多半是在特定的海上或其他恶劣环境中，而解决其安装、预紧和检测的方法则少有介绍。在有的文字介绍中，对蓄能密封圈的应用、安装测试方法都是概念性的。本文是在实际应用的基础上进行提炼和总结，为国内使用者提供实用方案和注意事项，同时也对大型密封圈的定制起一定的规范作用。

从工程实际出发，介绍在防腐环境下，大型密封圈的安装固定方式和密封状态的检测装置，对大型回转装置的动密封提供了设计思路。

1 弹簧蓄能密封圈的特点

随着这几年密封应用的广泛和技术进步，弹簧蓄能型密封圈和旋转轴封的应用也越来越趋于成熟，其使用环境、使用场合也越来越多样化。比如：高温密封(工业油缸，汽车发动机)、低温密封(液氮，液化石油气，液化二氧化碳，液化氧气等)、高压密封(压力机，空压机，高压水切割机等)、高速密封(往复运动油缸)。组合运动密封场合(如伺服油缸、风电变桨油缸、大型动力滑环)的卫生安全也是一大特点，目前食品和药品的密封已基本采用该种形式。

弹簧蓄能密封圈虽然看起来结构简单，其实不然，不同公司产品的使用寿命可能差别很大，在国际上以法国圣格班品牌和技术为最佳，国内生产厂家众多，具备独立设计能力的厂家并不多，即具备大口径定制能力的厂家不多，广州加士特密封技术有限公司、上海瑞密和旭隆密封等是具备设计和定制生产的厂家。

不同工况下密封件的结构、密封材料配方的选择和差异化的制造工艺对生产厂家都非常重要，但设备方更关注的是如何确保安装到位并保证密封性能，生产厂家往往只是给定了密封圈所要求的硬度、粗糙度和同心度的要求，而对于如何安装和正确使用密封圈则是工程设计人员需要解决的问题。

2 密封圈的安装要求和安装方式选取

弹簧蓄能密封圈一般要求安装零件硬度达到HRC50.粗糙达到Ra0.4以上[1]，同心度则和泄漏量息息相关，其配合安装要求很高，基本原理如图1所示。

图1 基本原理图

大型设备在防腐要求下(比如海洋环境)外部通常使用不锈钢为主体材料(316 L，双相不锈钢等)，要达到硬度要求是有困难的，若采取镀涂方式成本将大大提高，而且不易作进一步表面光洁处理，因此我们采用了新的设计思路，将动密封设计成一整套密封圈的组件，而组件材料则以能够适应密封圈的安装要求为第一要素，采用轴承钢为主体材料，见图2密封组件的形成。

图2 密封组件的形成

该组件在设备安装中则分别对动环、静环两个部分采用静密封的方式安装就很容易达到密封要求，见图3所示的安装基本形式。

图3 安装基本形式

根据其基本原理，密封圈在密封组件上的安装有2种方式，可以装在上下两个部分，也可以根据实际要求采用双密封方式。一个密封槽内安装一正一反2个密封圈，正装的密封圈可以保证油的密封，防止油外溢，反装的密封圈可以保证外界风、雨、雪的侵蚀[2]。正反装的密封圈保证即使有负压存在，也能起到良好的密封效果，极大地减少了热胀冷缩对密封性能的影响，也可组合设计成一个密封圈以方便安装。

总体上可以将密封组件看成1个异形轴承，只是根据尺寸大小、精度和同心的要求采用不同的方式而已，比如液动轴承和滑动轴承，组装式采用滚动轴承，精度由低到高可以是深沟球轴承、角按触轴承、四点接触轴承、交叉滚子轴承等等，分装式可以采用滑动轴承的方式，轴瓦可以是带自润滑的耐磨材料[3]。

依据动密封失效的分析结果，对密封件和轴承进行重新设计选型，为便于安装，将原方案中2个反向安装的密封圈合并成1个双向开口并带有蓄能弹簧的密封圈，密封件材料为抗老化耐磨材料。截面如图4所示。

图4 截面图

同时，修改动密封技术方案，并更改轴承设计。新方案提高了密封槽壁面的技术要求，密封壁面粗糙度要求达到Ra0.1～Ra0.2。

考虑到轴承厂现有的加工技术无法满足我们对密封件安装的要求，于是决定将原密封轴承的密封槽部分与轴承分开设计。将密封槽单独作为零件加工，安装在轴承上，组合成一个带转动密封的组件。这样便于将密封槽部分单独处理。同时可拆卸式结构使得密封件的维护和更换更加便捷。

密封槽部分分为内环和外环2个零件，该部分密封槽壁面的加工采用豪克能工艺，代替传统的内/外圆磨加工工艺。毫克能工艺具有效率高、成本低、适用性广的优势，尤其适用于大尺寸零件的表面改性及镜面加工。

3 大型密封圈的安装探讨

首先定义一下大型密封圈的概念，这里将直径500以上的密封圈定义为大型密封圈，主要基于两个原因，一是为保证密封性能不能将蓄能弹簧独立装配；二是由于密封圈主体材料较软，无法用简易方法压入。

由于密封圈的安装结合面要求较高，而压入过程中密封圈和蓄能是对压入起反作用的，因此密封圈导入槽的设计就很有必要，见图5所示导入槽的结构。

图5 导入槽的结构

导入槽的高度设计为密封圈高度的1.5～2倍，倾斜角要确保在密封圈自由状态时能够轻松地放入槽内，利用压紧圈、压紧法兰导向轴和丝杆螺母组成的专用压紧工装，均匀压入密封圈，确保无局部变形，密封圈唇口无损伤，见图6所示的压入装置原理图。

图6 压入装置原理图

从图6可以看出，随着密封圈尺寸的增大，为确保均匀压入，该压入装置的机构会越来越复杂，要求也越来越高，甚至随着压入力的增加，会将手动压入改为自动压入，值得一提的是，当密封圈压入到位后，其导入槽可根据装配需要进行二次加工或局部修改，建议尽可能地予以保留。

4 大型动密封密封效果的检测装置

密封效果的检测对于大型密封圈的安装效果及在运动过程中的密封状态很有必要，其简单易行，能避免在设备整机上做测试的复杂，另外在样机的设计中，通过对密封效果的检测可以达到不断改进的作用，主要是压紧槽和压紧力的设计，反过来也能根据测试结果对密封圈的改进提出要求。图7为检测装置示意图。

图7 检测装置示意图

密封测试装置是对独立密封组件的检测，它让密封效果有了定量分析，保压时间和不同压力下的渗油量是判断可行性的主要指标。对700 mm直径的深沟球轴承动密封进行试验验证。为此，专门设计了一套具有保压功能的旋转装置，对动密封进行旋转耐磨寿命试验。

动力部分的技术要求：

转速0～5 r/min可调；

工作方式：1轴电动；

转角范围：可无限制连续圆周旋转，顺时针逆时针均可；

回转速率平稳度：±6%；

密封空腔保压压力：100 kPa。

按以上要求，制定检测方案如图8所示。该装置可以模拟轴承密封的实际安装条件，并能在进行旋转耐磨测试的同时进行保压测试。图8为动密封保压寿命测试装置。

图8 动密封保压寿命测试装置

图9 内部空腔结构

图10 内部空腔结构

密封轴承与圆形底座组成一个保压腔体，内部充气或变压器油。除转动部分采用动密封外，其余部分均为静密封。

5 结束语

大型回转装置的密封性能在设计方面主要取决于3个要素：一是密封圈的材质，它决定了密封圈的耐磨性与弹性；二是蓄能型弹簧的蓄能量，即单位面积的正压力；三是接触面的刚度和光洁度。大型回转密封圈在安装上必须解决两大问题：一是密封圈安装压入力的均匀性，即无损伤；二是密封圈转动过程中的均匀性，即无跳动。

因此在使用者和生产厂家之间就有了沟通的目标，而以上的几个参数，既有理论值又有统计的经验值，一般通过对这几个参数的调整达到一个最优的安装方法。而动密封效果的检测装置既解决了实际应用的检测，也为设计过程中的参数选择提供了参考。

综上所述，对大型密封圈的安装和检测装置的论述是在实际过程中对设备出现问题的分析和解决，它解决了密封圈生产厂家和设备应用方之间的衔接问题，扩展了对蓄能型密封圈的应用，对具体设计提出了注意事项和方法。