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金屬碟簧密封的失效及對(duì)策發(fā)布者：廈門力常彈簧有限公司 發(fā)布時(shí)間：2019-07-31 21:12
通過分析金屬密封件密封界面的工作特點(diǎn), 揭示了金屬密封性能的不穩(wěn)定性。闡述了球體加工、材料、密封界面的潤(rùn)滑性對(duì)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(guān)鍵詞】金屬材料,密封件,密封性能,球體,機(jī)械加工
O形圈、油封等一類橡膠密封件不適宜設(shè)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(tǒng)稱為金屬密封。
從密封形式上講大體有球體結(jié)構(gòu)(圖1)與旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)兩類(圖2), 但設(shè)計(jì)理念大致相近。
金屬密封有耐磨、耐溫、塑性小的優(yōu)點(diǎn), 但失效快、壽命短、性能不穩(wěn)定卻是較普遍的現(xiàn)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念而言, 普遍認(rèn)為該結(jié)構(gòu)密封界面大、可靠性高, 動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)擺動(dòng)不會(huì)改變密封界面的狀態(tài)。所以95%以上的金屬密封均采用球體結(jié)構(gòu)形式。擯棄旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的理由很簡(jiǎn)單,抗御旋轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)的性能不如球體結(jié)構(gòu)。但從工作狀態(tài)上看兩者并無差異, 球體仍做旋轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)。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(huì)快于小端, 這樣原始的密封界面會(huì)逐漸減小, 最終在小端形成一條線狀的密封環(huán),在持續(xù)地磨損中這條線狀的密封環(huán)會(huì)逐漸地向大端移動(dòng)而不斷往復(fù)。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(huán)呈圈閉狀態(tài)方能起到密封的作用。但實(shí)際過程中這種圈閉狀態(tài)時(shí)時(shí)遭破壞, 這是由于設(shè)備的震動(dòng)以及介質(zhì)流經(jīng)金屬密封時(shí)引起動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)軸擺 動(dòng)而造成不均勻磨損的。此時(shí)金屬密封便會(huì)現(xiàn)出失效及泄漏的現(xiàn)象。由于有密封環(huán)在界面上不斷移動(dòng)的特性, 失效現(xiàn)象會(huì)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(wěn)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(nèi)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(nèi)球體半徑與外球體半徑的設(shè)計(jì)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(shù)有限公司(美國(guó))生產(chǎn)的球體密封件,使用前內(nèi)外球體僅有5% ～ 10%的接觸;山東的金屬密封制品產(chǎn)能全國(guó)第一, 僅棗莊地區(qū)就占了全國(guó)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(yōu)點(diǎn), 在實(shí)際上根本無法體現(xiàn)。設(shè)計(jì)一種產(chǎn)品的基礎(chǔ)除首先考慮性能效果外, 還應(yīng)顧及制造工藝與成本兩個(gè)層面, 如將球體結(jié)構(gòu)改成旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu), 其效率會(huì)高許多。旋轉(zhuǎn)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(jiǎn)便得多、能最大限度地滿足尺寸要求, 可靠性、經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于球體結(jié)構(gòu)制品。
3 材料
金屬密封的選材, 傳統(tǒng)上多為硬質(zhì)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(dāng)棘手, 不得已的情況下往往是降低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn), 使產(chǎn)品性能得不到保證。近期, 北大、清華等幾所院校的基礎(chǔ)材料研究所推出了“碳化鎢滲透工藝”成果, 該工藝對(duì)金屬材料表層的碳化鎢滲透可至6mm左右, 硬度可達(dá)HRC65 ～ 70,表面粗糙度可比值為0.8。這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)足已滿足金屬密封對(duì)材料的要求, 采用該項(xiàng)工藝可利用普通鋼材成形,具簡(jiǎn)便、價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)。最大的好處是避開了熱處理這一環(huán), 較大幅度地減少了加工過程中出現(xiàn)的形位誤差。
4 密封界面潤(rùn)滑可靠性
金屬密封有兩種不同的潤(rùn)滑方式:外注潤(rùn)滑劑與流通介質(zhì)潤(rùn)滑。潤(rùn)滑的可靠性至關(guān)重要, 密封界面瞬間的干磨擦都會(huì)引起金屬密封永久性失敗。牙輪鉆頭采用外注潤(rùn)滑劑形式, 由于儲(chǔ)油囊的容量一定, 在工作時(shí)間長(zhǎng)短不同或因各種外部條件干涉造成潤(rùn)滑劑流失的量及速度不等的情況下, 很難保證潤(rùn)滑的可靠性。利用流通介質(zhì)潤(rùn)滑可靠而且可行,流通介質(zhì)一般為氣態(tài)或者液態(tài), 由于流動(dòng)介質(zhì)負(fù)有一定壓力, 對(duì)間隙極小的密封界面來說, 呈現(xiàn)了極好的滲透性。實(shí)踐證實(shí), 氣態(tài)的介質(zhì)效果更優(yōu)于液態(tài)介質(zhì), 這是因?yàn)闅鈶B(tài)物質(zhì)的流動(dòng)性最高。油氣分離器便是利用流通的原油潤(rùn)滑、離心機(jī)構(gòu)在高速旋轉(zhuǎn)中將天然氣分離出來, 天然氣中所含的細(xì)小粒子對(duì)離心機(jī)構(gòu)起到很好的潤(rùn)滑。造紙機(jī)械, 金屬軋板機(jī)械大多利用流通介質(zhì)潤(rùn)滑, 介質(zhì)中有水、苛性溶液,但對(duì)金屬密封的影響甚微, 金屬密封的材質(zhì)均有一定的抗腐能力。當(dāng)然必要的過濾設(shè)置絕不可少, 但多簡(jiǎn)便、有效。
【關(guān)鍵詞】金屬材料,密封件,密封性能,球體,機(jī)械加工
O形圈、油封等一類橡膠密封件不適宜設(shè)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(tǒng)稱為金屬密封。
從密封形式上講大體有球體結(jié)構(gòu)(圖1)與旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)兩類(圖2), 但設(shè)計(jì)理念大致相近。
金屬密封有耐磨、耐溫、塑性小的優(yōu)點(diǎn), 但失效快、壽命短、性能不穩(wěn)定卻是較普遍的現(xiàn)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念而言, 普遍認(rèn)為該結(jié)構(gòu)密封界面大、可靠性高, 動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)出現(xiàn)擺動(dòng)不會(huì)改變密封界面的狀態(tài)。所以95%以上的金屬密封均采用球體結(jié)構(gòu)形式。擯棄旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的理由很簡(jiǎn)單,抗御旋轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)的性能不如球體結(jié)構(gòu)。但從工作狀態(tài)上看兩者并無差異, 球體仍做旋轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)。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(huì)快于小端, 這樣原始的密封界面會(huì)逐漸減小, 最終在小端形成一條線狀的密封環(huán),在持續(xù)地磨損中這條線狀的密封環(huán)會(huì)逐漸地向大端移動(dòng)而不斷往復(fù)。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(huán)呈圈閉狀態(tài)方能起到密封的作用。但實(shí)際過程中這種圈閉狀態(tài)時(shí)時(shí)遭破壞, 這是由于設(shè)備的震動(dòng)以及介質(zhì)流經(jīng)金屬密封時(shí)引起動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)軸擺 動(dòng)而造成不均勻磨損的。此時(shí)金屬密封便會(huì)現(xiàn)出失效及泄漏的現(xiàn)象。由于有密封環(huán)在界面上不斷移動(dòng)的特性, 失效現(xiàn)象會(huì)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(wěn)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(nèi)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(nèi)球體半徑與外球體半徑的設(shè)計(jì)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(shù)有限公司(美國(guó))生產(chǎn)的球體密封件,使用前內(nèi)外球體僅有5% ～ 10%的接觸;山東的金屬密封制品產(chǎn)能全國(guó)第一, 僅棗莊地區(qū)就占了全國(guó)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(yōu)點(diǎn), 在實(shí)際上根本無法體現(xiàn)。設(shè)計(jì)一種產(chǎn)品的基礎(chǔ)除首先考慮性能效果外, 還應(yīng)顧及制造工藝與成本兩個(gè)層面, 如將球體結(jié)構(gòu)改成旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu), 其效率會(huì)高許多。旋轉(zhuǎn)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(jiǎn)便得多、能最大限度地滿足尺寸要求, 可靠性、經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)于球體結(jié)構(gòu)制品。
3 材料
金屬密封的選材, 傳統(tǒng)上多為硬質(zhì)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(dāng)棘手, 不得已的情況下往往是降低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn), 使產(chǎn)品性能得不到保證。近期, 北大、清華等幾所院校的基礎(chǔ)材料研究所推出了“碳化鎢滲透工藝”成果, 該工藝對(duì)金屬材料表層的碳化鎢滲透可至6mm左右, 硬度可達(dá)HRC65 ～ 70,表面粗糙度可比值為0.8。這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)足已滿足金屬密封對(duì)材料的要求, 采用該項(xiàng)工藝可利用普通鋼材成形,具簡(jiǎn)便、價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)。最大的好處是避開了熱處理這一環(huán), 較大幅度地減少了加工過程中出現(xiàn)的形位誤差。
4 密封界面潤(rùn)滑可靠性
金屬密封有兩種不同的潤(rùn)滑方式:外注潤(rùn)滑劑與流通介質(zhì)潤(rùn)滑。潤(rùn)滑的可靠性至關(guān)重要, 密封界面瞬間的干磨擦都會(huì)引起金屬密封永久性失敗。牙輪鉆頭采用外注潤(rùn)滑劑形式, 由于儲(chǔ)油囊的容量一定, 在工作時(shí)間長(zhǎng)短不同或因各種外部條件干涉造成潤(rùn)滑劑流失的量及速度不等的情況下, 很難保證潤(rùn)滑的可靠性。利用流通介質(zhì)潤(rùn)滑可靠而且可行,流通介質(zhì)一般為氣態(tài)或者液態(tài), 由于流動(dòng)介質(zhì)負(fù)有一定壓力, 對(duì)間隙極小的密封界面來說, 呈現(xiàn)了極好的滲透性。實(shí)踐證實(shí), 氣態(tài)的介質(zhì)效果更優(yōu)于液態(tài)介質(zhì), 這是因?yàn)闅鈶B(tài)物質(zhì)的流動(dòng)性最高。油氣分離器便是利用流通的原油潤(rùn)滑、離心機(jī)構(gòu)在高速旋轉(zhuǎn)中將天然氣分離出來, 天然氣中所含的細(xì)小粒子對(duì)離心機(jī)構(gòu)起到很好的潤(rùn)滑。造紙機(jī)械, 金屬軋板機(jī)械大多利用流通介質(zhì)潤(rùn)滑, 介質(zhì)中有水、苛性溶液,但對(duì)金屬密封的影響甚微, 金屬密封的材質(zhì)均有一定的抗腐能力。當(dāng)然必要的過濾設(shè)置絕不可少, 但多簡(jiǎn)便、有效。