組合密封在液壓缸密封中的應用

摘 要:本文介紹了特瑞堡公司用于活塞密封的格萊圈和用于活塞桿密封的斯特封的作用原理和特點，介紹了這兩種組合密封常見的失效形貌特征，并分析了導致它們失效的原因以及相應的防止措施。

關鍵詞:格萊圈;斯特封;組合密封;失效;形貌特征

1前言

密封是解決液壓系統泄漏問題的有效手段之一，當液壓系統的密封不好時，會因外泄漏而污染環境，還會造成空氣進入液壓系統而影響液壓泵的工作性能和液壓執行元件運動的平穩性[1]。活塞密封件是應用于液壓缸缸體內部的液體密封，它們位于缸頭內部，對缸孔進行密封，以防止液體從缸頭流出，這使壓力在活塞的一端積聚，從而讓油缸得以伸縮;活塞桿密封件對缸桿進行密封，必須滿足在所有工作條件下沒有至大氣側的動態泄漏，并且當機器停頓時又必須是完好的靜態密封。此外，要通過減少摩擦來提高機械效率，并且要便于安裝在小溝槽中。

2 格萊圈和斯特封的密封原理及其特點

2.1格萊圈和斯特封的密封原理

格萊圈和斯特封是由特康滑環密封和施力的O形圈組成的組合密封。它們是通過徑向的過盈配合，連同O形圈的預壓縮，來保證即使在低壓下也具有良好的密封效果。當系統壓力升高時，O形圈通過流體施加更大的力，使格來圈和斯特封更加緊貼密封面。格萊圈、斯特封為主密封，O形圈為輔密封。

圖1為格萊圈和O圈組成的組合密封示意圖，它用于液壓缸活塞的密封，表現為雙作用形式，油液的壓力作用于格萊圈的兩側。格萊圈的兩個側面具有倒角，使密封圈的截面朝著密封面逐漸變窄，其截面的形狀仍然結實而緊湊，而且也不會減少因壓力產生的最大壓縮所需的彈性。在建立壓力以后密封圈壓向溝槽一邊，由于密封圈側面是斜的，導致密封圈有所“傾側”，于是最大壓力點就移向直接和壓力接觸的密封邊緣那部分。

圖2為斯特封和O形圈組成的組合密封示意圖，它用于液壓缸活塞桿的密封，表現為單作用的形式，油液的壓力作用于斯特封的一側。特殊形成的密封邊緣在高壓側具有很陡的接觸壓力梯度，而在低壓側產生較平緩的接觸壓力梯度，保證附著在活塞桿上的油膜在活塞桿的返回行程中回到高壓腔。這就防止了在活塞桿伸出時帶出高壓腔的微量油層造成的泄漏，這種返回輸送的特性，防止了通常伴隨串聯密封配置形成的中間壓力。采用一前一后的斯特封和O形圈組成的組合密封幾乎可以達到零泄露。

圖3為活塞密封和活塞桿密封示意圖，在液壓缸的密封中，采用由格萊圈和O形圈的組合來密封活塞和由斯特封和O形圈的組合來密封活塞桿可以實現比較好的密封效果。在實際的應用過程中，可根據實際的情況采用格萊圈、斯特封多級串聯的安裝方式達到預期的密封效果。

2.2格萊圈和斯特封的密封點[2]

格萊圈和斯特封的幾何形狀保證其具有良好的靜態、動態密封效果，并允許往復運動時在密封處建立潤滑油膜，它們具有如下優點:

(1) 主要采用以TurcOn[R] 聚四氟乙烯為主的材料制造，在極端溫度條件下表現出的性能無可匹敵;

(2) 起動時無爬行，工作平穩;

(3) 動態和靜態摩擦系數小，能量損失少且生熱低;

(4) 耐磨損，保證使用壽命長;

(5) 即使長期不動作或長期儲存期間，配合表面無粘附現象;

(6) 適合大多數液壓油以及大多數現代硬件材料，幾乎與所有介質兼容;

(7) 適合密封的最大活塞桿直徑達2600mm。

3 失效組合密封表面形貌特征及失效的原因分析與防止措施

格萊圈、斯特封與O形圈一起組成組合密封，其中格萊圈、斯特封主要由聚四氟乙烯(PTFE)組成。由于其使用條件和工作情況的復雜性，組合失效密封件的破壞形式也是多種多樣的。圖4~圖11列出了陶瓷壓機上常見的組合密封件失效的外觀照片及破壞特征示意圖，以供分析密封系統失效原因時參考。

圖4所示失效格萊圈橫向撕裂，表面有許多裂紋。其原因是密封件已經達到了其疲勞極限。解決的辦法是更換密封件同時對系統進行清洗或更換新油。

圖5所示失效格萊圈的厚度出現了明顯不均現象。其原因是油缸受到偏載荷，偏載荷超過了格萊圈的抗壓強度，導致了受壓變形。解決的辦法是根據重型用途來選用密封圈，提高其抗偏載荷的能力。

圖6所示失效格萊圈與活塞桿的接觸面出現飛邊。其原因是與密封件相配的滑動表面粗糙度太低。解決這類問題的措施是:在進行密封結構設計時，采用與密封件相適應的表面粗糙度。

圖7所示失效斯特封整體扭曲，沿縱向撕裂，嚴重變形。其原因是由于泄漏的液壓油沒能及時排出產生了困油現象，在運動的過程中瞬間產生的高壓把斯特封從溝槽中擠出，導致了活塞桿直接與油缸接觸，進一步加劇了斯特封的磨損，最終密封徹底失效。解決的辦法是在設計液壓缸時，針對可能存在困油現象的地方要設計排油孔，讓泄漏的油液及時排出，防止困油帶來的嚴重后果。

圖8所示失效格萊圈在滑動面上有小的壓痕。其原因是配合面上有灰塵或切屑，也可能是液壓油中有雜質或氧化產物。解決的辦法是對系統進行清洗或更換新油。

圖9所示失效O形圈沿縱向切面撕裂，撕裂面規則，密封圈表面無明顯的傷痕。其原因是材料的抗老化性、內部缺陷導致密封件的整體性能沒有達到要求，解決的辦法是更換合格的密封圈。

圖10所示失效O形圈表面出現大量大小不同的凹坑，溝槽內有部分炭化痕跡。這是系統中沒有排凈的空氣絕熱壓縮引起了焦燒，殘存空氣絕熱壓縮可在瞬間產生高溫 ，遠超過密封材料的耐熱極限。為防止這類問題的出現，可采取以下措施:液壓油缸啟動之前，盡量排凈系統內的空氣;裝配前在密封件的溝槽內加入潤滑脂以防止空氣積累。

圖11所示失效O形圈沿縱向撕裂，撕裂面不規則，表面出現大量大小不同的凹面。除了圖10中的原因外，還可能的原因是溝槽兩側加工精度沒有滿足安裝要求。解決的辦法是按照密封件要求的安裝精度設計，同時對系統進行清洗或更換新油。

參考文獻

[1] 劉延俊主編. 液壓與氣壓傳動[M]. 北京:機械工業出版社，2002.

[2] 特瑞堡密封選型指南.