1、結(jié)構(gòu)簡介

在大型工程機械上，Y型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(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)有內(nèi)唇A和外唇B(見圖1)為獲得較佳初始密封效果，工程技術(shù)人員設(shè)計產(chǎn)品時應(yīng)在其內(nèi)、外唇口留有一定的過盈量(見圖2)。裝入工作溝槽后，密封圈兩唇口僅與滑動表面、溝槽徑部接觸，產(chǎn)生一定量的預(yù)應(yīng)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(chǎn)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。

 

圖1 產(chǎn)品示意結(jié)構(gòu)

圖2 裝配前的過盈量

圖3 裝配后接觸壓力分布

　　2、結(jié)構(gòu)設(shè)計

Y型密封圈的設(shè)計與其工作壓力相關(guān)，設(shè)計參數(shù)隨工作壓力的不同需作相應(yīng)調(diào)整。Y型密封圈設(shè)計參數(shù)主要包括，唇口過盈量、唇口厚度a，外唇與缸體或內(nèi)唇與活塞桿夾角A、根部尺寸、以及內(nèi)外兩唇夾角B(見圖4)。

圖4 產(chǎn)品斷面結(jié)構(gòu)圖

　　2.1 唇口尺寸的優(yōu)化

Y型密封圈安裝之后，其唇口密封部位與接觸界面有一定的過盈量，產(chǎn)生初始密封力，達到密封效果(見圖4)。初始過盈量過大將導(dǎo)致密封唇口與活動接觸面間的摩擦力增大，唇口部位易磨損，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(yù)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(chǎn)品是在無壓狀態(tài)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(yù)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(yīng)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。唇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(chǎn)周期較長。

2.2 內(nèi)唇與活塞或外唇與缸體夾角的確定

內(nèi)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唇口與其相應(yīng)接觸面的接觸面積的大小。夾角越大，密封唇口與其相應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品使用壽命。關(guān)于該角度的合理取值，應(yīng)進行相應(yīng)的力學分析，見圖5。

圖5 唇口力學分析

　　根據(jù)圖5受力分析，將產(chǎn)品密封唇口按彈性力學處理，材料的力學性能滿足虎克定律。密封壓力F垂直于密封唇口切線，應(yīng)符合以下公式：

Fx=F·cosA

Fy=F·sin A

通過力學分析得知，活動接觸面向上的力不能小于Y向分力Fy，即：

F·cos A·f≥F·sinA

F-預(yù)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(shù)。

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(shù)的大小有關(guān) 金屬與橡膠的摩擦系數(shù)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(yōu)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(chǎn)生較大彈性變形，由此產(chǎn)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(yīng)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(yōu)化

Y型密封圈受壓時，其根部形狀會出現(xiàn)壓縮變形，導(dǎo)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(guān);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(guān)于擠出間隙g的選擇應(yīng)當參考圖9進行。根部高度的選擇應(yīng)參考HG4—335—66進行。

圖6 擠出間隙示意圖

圖7 跟部擠壓受損示意圖

　　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(huán)，支撐環(huán)一般選擇摩擦系數(shù)較小的聚四氟乙烯或聚酰胺，見圖8。

圖8 密封圈根部支撐環(huán)示意結(jié)構(gòu)

圖9 擠出間隙選擇參考圖

　　3、設(shè)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(nèi)徑=90mm。

圖10 設(shè)計產(chǎn)品的斷面形狀

　　根據(jù)本文設(shè)計理論 產(chǎn)品相關(guān)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(jīng)-2g=90-0.6=89.4mm，同理得出產(chǎn)品根部內(nèi)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(fù)運動的速度不高，也不會出現(xiàn)密封圈在溝槽內(nèi)躥動的現(xiàn)象。

3)密封圈根部高度選擇應(yīng)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(nèi)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(chǎn)品裝入設(shè)備中進行考核試驗，試驗工況見表1。

表1 實際裝機考核指標

　　實際裝機考核試驗溫度為100℃，在設(shè)備連續(xù)工作24h后，沒有出現(xiàn)漏油現(xiàn)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(xiàn)較大變形和破壞現(xiàn)象。

5、小結(jié)

通過探討，掌握了Y型密封圈設(shè)計時應(yīng)注意的幾個關(guān)鍵尺寸和設(shè)計準則。在實際設(shè)計中 要根據(jù)用戶的使用工況對產(chǎn)品局部設(shè)計規(guī)范稍作改動。例如：密封圈唇口厚度隨著工作壓力的增大應(yīng)當適當加厚，頂角B適當減小等等，但這些改動設(shè)計人員應(yīng)當靈活掌握。

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