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金屬碟簧密封的失效及對策

發布者:廈門力常彈簧有限公司  發布時間:2019-07-31 21:12
 通過分析金屬密封件密封界面的工作特點, 揭示了金屬密封性能的不穩定性。闡述了球體加工、材料、密封界面的潤滑性對金屬碟簧密封件密封性能的影響, 提出了改善金屬密封性能的建議。
  【關鍵詞】金屬材料,密封件,密封性能,球體,機械加工
  O形圈、油封等一類橡膠密封件不適宜設備高速、高壓、高溫的工作部位。選用特種金屬材料制做的密封件統稱為金屬密封。
  從密封形式上講大體有球體結構(圖1)與旋轉體結構兩類(圖2), 但設計理念大致相近。
圖1 球體結構密封

圖2 旋轉體結構密封
  金屬密封有耐磨、耐溫、塑性小的優點, 但失效快、壽命短、性能不穩定卻是較普遍的現象。探索、追究其原因是十分必要的。
  1 金屬密封件密封界面的工作特性
  以球體結構的設計理念而言, 普遍認為該結構密封界面大、可靠性高, 動環旋轉出現擺動不會改變密封界面的狀態。所以95%以上的金屬密封均采用球體結構形式。擯棄旋轉體結構的理由很簡單,抗御旋轉軸擺動的性能不如球體結構。但從工作狀態上看兩者并無差異, 球體仍做旋轉體運動。由于軸向的半徑不等, 大小端的線速度便有較大的值差,界面上大端的磨損會快于小端, 這樣原始的密封界面會逐漸減小, 最終在小端形成一條線狀的密封環,在持續地磨損中這條線狀的密封環會逐漸地向大端移動而不斷往復。所以金屬密封的界面只是線接觸, 面接觸之說只是理想。而且只有在磨損十分均勻的前提下, 密封環呈圈閉狀態方能起到密封的作用。但實際過程中這種圈閉狀態時時遭破壞, 這是由于設備的震動以及介質流經金屬密封時引起動環旋轉軸擺 動而造成不均勻磨損的。此時金屬密封便會現出失效及泄漏的現象。由于有密封環在界面上不斷移動的特性, 失效現象會自然消失。這就是金屬密封特有的失效間歇性, 也稱之為性能不穩定。
  2 球體加工
  碟形彈簧球體加工的形位誤差是失效的主要原因。內外球體的加工, 尺寸及形位公差(不園度、曲線度)是很難控制的, 內球體半徑與外球體半徑的設計尺寸只有千分之幾毫米的公差才能較好地接觸。蘇州約翰遜密封技術有限公司(美國)生產的球體密封件,使用前內外球體僅有5% ~ 10%的接觸;山東的金屬密封制品產能全國第一, 僅棗莊地區就占了全國該類制品份額的80%, 他們的球體加工50%是端口接觸(圖3)。所以球體密封理論上的幾大優點, 在實際上根本無法體現。設計一種產品的基礎除首先考慮性能效果外, 還應顧及制造工藝與成本兩個層面, 如將球體結構改成旋轉體結構, 其效率會高許多。旋轉體的工作特性與球體完全一樣, 只是密封界面為錐形, 制造過程較球形要簡便得多、能最大限度地滿足尺寸要求, 可靠性、經濟性均優于球體結構制品。
圖3 球體半徑誤差造成邊口接觸現象
  3 材料
  金屬密封的選材, 傳統上多為硬質合金、高速鋼、軸承鋼等。這類材料熱處理后的變形給后期制造帶來的困難相當棘手, 不得已的情況下往往是降低設計標準, 使產品性能得不到保證。近期, 北大、清華等幾所院校的基礎材料研究所推出了“碳化鎢滲透工藝”成果, 該工藝對金屬材料表層的碳化鎢滲透可至6mm左右, 硬度可達HRC65 ~ 70,表面粗糙度可比值為0.8。這些技術標準足已滿足金屬密封對材料的要求, 采用該項工藝可利用普通鋼材成形,具簡便、價廉的優點。最大的好處是避開了熱處理這一環, 較大幅度地減少了加工過程中出現的形位誤差。
  4 密封界面潤滑可靠性
  金屬密封有兩種不同的潤滑方式:外注潤滑劑與流通介質潤滑。潤滑的可靠性至關重要, 密封界面瞬間的干磨擦都會引起金屬密封永久性失敗。牙輪鉆頭采用外注潤滑劑形式, 由于儲油囊的容量一定, 在工作時間長短不同或因各種外部條件干涉造成潤滑劑流失的量及速度不等的情況下, 很難保證潤滑的可靠性。利用流通介質潤滑可靠而且可行,流通介質一般為氣態或者液態, 由于流動介質負有一定壓力, 對間隙極小的密封界面來說, 呈現了極好的滲透性。實踐證實, 氣態的介質效果更優于液態介質, 這是因為氣態物質的流動性最高。油氣分離器便是利用流通的原油潤滑、離心機構在高速旋轉中將天然氣分離出來, 天然氣中所含的細小粒子對離心機構起到很好的潤滑。造紙機械, 金屬軋板機械大多利用流通介質潤滑, 介質中有水、苛性溶液,但對金屬密封的影響甚微, 金屬密封的材質均有一定的抗腐能力。當然必要的過濾設置絕不可少, 但多簡便、有效。
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