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Y形橡膠密封圈密封原理與結構優化

時間:2019-10-28 2013 次瀏覽

信息摘要:Y型橡膠密封圈的設計與其工作壓力相關,設計參數隨工作壓力的不同需作相應調整。Y型密封圈設計參數主要包括,唇口過盈量、唇口厚度a,外唇與缸體或內唇與活塞桿夾角A、根部尺寸、以及內外兩唇夾角B。

1、Y型橡膠密封圈結構簡介

在大型工程機械上,Y型橡膠密封圈常常用于液壓油缸或氣動缸,僅起單向密封作用,其產品結構設有內唇A和外唇B(見圖1)。為獲得較佳初始密封效果,工程技術人員設計產品時應在其內、外唇口留有一定的過盈量(見圖2)。裝入工作溝槽后,密封圈兩脣口僅與滑動表面、溝槽徑部接觸,產生一定量的預應力,起到密封作用(見圖3)。工作時,在液壓力作用下密封唇口在其圓周方向產生變形,完全貼合在活塞桿表面和缸體配合表面,起密封作用。

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2、Y型橡膠密封圈結構設計

Y型橡膠密封圈的設計與其工作壓力相關,設計參數隨工作壓力的不同需作相應調整。Y型密封圈設計參數主要包括,唇口過盈量、唇口厚度a,外唇與缸體或內唇與活塞桿夾角A、根部尺寸、以及內外兩唇夾角B(見圖4)。

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2.1唇口尺寸的優化

Y形橡膠密封圈安裝之后,其唇口密封部位與接觸界面有一定的過盈量,產生初始密封力,達到密封效果(見圖4)。初始過盈量過大將導致密封唇口與活動接觸面間的摩擦力增大,脣口部位易磨損,密封圈使用壽命縮短;初始過盈量過小,密封唇口與活動接觸面間的預緊力小,密封效果不理想,甚至不能滿足高壓密封。工作壓力較小時,可以認為產品是在無壓狀態下使用,此時的密封力僅為密封唇口與活動接觸面的接觸預緊力;壓力較高時,不僅要考慮密封唇口的過盈尺寸,而且還 要考慮其相應增大的厚度尺寸,以便提高密封唇口的抗彎曲能力。Y型密封圈的密封唇口可采用模壓成型或機械切割方式成型。脣口尺寸較小或者尺寸特別大時,一般采用模壓成型。采用切削加工方式切削唇口時,需用專門胎具,且多一道工 序,生產周期較長。

2.2內唇與活塞或外唇與缸體夾角的確定

內唇與活塞或外唇與缸體夾角(見圖4)的大小直接影響著密封脣口與其相應接觸面的接觸面積的大小。夾角越大,密封唇口與其相應接觸面的接觸面積越小,這對低壓密封效果影響不大,但對高壓密封效果會有影響;夾角較小時,密封唇口與其活動接觸面的接觸面積較大,隨著工作壓力的增大,密封唇口因擴張而產生的過盈力增大,有利于密封,但會增大摩擦力,接觸面磨損加劇,影響產品使用壽命。在滿足工作壓力的條件下,選擇合適的角度值,能獲得良好的密封效果,并能有效延長產品使用壽命。關于該角度的合理取值,應進行相應的力學分析,見圖5。

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根據圖5受力分析,將產品密封唇口按彈性力學處理,材料的力學性能滿足庫克定律。密封壓力F垂直于密封唇口切線,應符合以下公式:

Fx=F*cosA

Fy=F*sinA

通過力學分析得知,活度接觸面向上的力不能小于Y向分力Fy,即:

F*cosA*f≥F*sinA

F-預緊力(作用方向與唇口方向垂直);

f-密封唇口與活動接觸面的摩擦系數。

得出A=arctgf,也就是說,角度A的選值與活動接觸面的摩擦系數的大小有關。金屬與橡膠的摩擦系數一般為0.3~0.4,由此得知A值在16.7度到22度之間。

2.3唇口頂角B的優化

當a值一定時,密封圈頂角B(見圖4)取值越大,受壓時唇口密封部位越易產生較大彈性變形,由此產生的初始密封力也就越大,這對低壓密封非常合適;隨著工作壓力的不斷增大,頂角B應當適當變小,可提高密封唇口的抗壓能力,頂角B的取值一般在50度到60度之間。

2.4根部尺寸的優化

Y型橡膠密封圈受壓時,其根部形狀會出現壓縮變形,導致寬度尺寸變大,高度變小。工作壓力不同時,密封圈根部寬度距缸體或活塞間隙g(半徑間隙,見圖6)取值大小與其使用壽命密切相關;若擠出間隙對于工作壓力來說取值過大,密封件根部可能因自身受壓而損壞(見圖7)。關于擠出間隙g的選擇應當參考圖9進行。根部高度的選擇應參考HG4-335-6進行。

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除此之外,在一些壓力較高的密封場合,即使擠出間隙的選擇較為合理,但也較難保證根部材料不受損傷。為使密封圈能夠承受較大工作壓力,可給其根部增加支撐環,支撐環一般選擇摩擦系數較小的聚四氟乙烯或聚酰胺,見圖8。

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3、Y形橡膠密封圈設計實例

已知:工作壓力為1MPa,材料硬度為80度,活塞桿速度V=0.5m/s,裝配尺寸:槽寬=8.2mm,槽底直徑=79.5mm,缸體內徑=90mm。

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根據本文設計理論,產品相關裝配尺寸為:1)查圖9可得,擠出間隙g=0.3mm;密封圈根部外徑=缸體外經一2g=90-0.6=89.4mm,同理得出產品根部內徑為80.1mm。

2)密封圈高度尺寸及公差范圍參考HG4-335-66,h=(7.0±0.2)mm;由于存在工作壓力,即使密封圈高度比溝槽寬度小1mm左右,加之往復運動的速度不高,也不會出現密封圈在溝槽內躥動的現象。

3)密封圈根部高度選擇應參考HG4-335-66進行,根部高度=4.2mm。

4)唇口裝配單邊過盈尺寸為0.7~0.75mm,所以唇口部位外徑尺寸為91.5mm,內徑尺寸為78.1mm。

5)唇口厚度=2.0mm,夾角A=17度,頂角B為60度。

4、試驗

上述產品裝入設備中進行考核試驗,試驗工況見表1。

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實際裝機考核試驗溫度為100℃,在設備連續工作24h后,沒有出現漏油現象,說明密封效果良好。拆卸下來后,觀察到密封圈外觀沒有出現較大變形和破壞現象。