傳動軸封嚴皮碗密封失效分析與結構改進
發(fā)布時間：2019-11-14信息來源：瀏覽次數(shù)：1370
1 概述
封嚴皮碗是在機械傳動系統(tǒng)中應用較為廣泛的一種唇形動密封部件，具有裝配簡單、尺寸緊湊和成本低廉的優(yōu)點。封嚴皮碗在使用中遇到的主要問題是滑油的泄漏，給用戶日常維護增加了工作量，提高了維護成本。本文分析了影響封嚴皮碗動密封性能的主要因素，針對分析結果對動密封結構進行了改進。
2 封嚴皮碗結構
封嚴皮碗裝配于傳動軸與機匣之間，由金屬骨架、橡膠皮碗和彈簧組成。在工作中，帶有金屬骨架的橡膠皮碗在彈簧的彈性作用下，將皮碗唇口與傳動軸緊緊壓在一起，阻斷泄漏間隙，達到封嚴目的。皮碗唇口接觸應力呈尖銳分布，如圖1所示，斷面形狀及箍緊彈簧使唇口對軸具有較好的追隨補償性能。
圖1 橡膠皮碗及其唇口接觸應力
3 封嚴皮碗密封失效分析
3.1動密封軸的偏心對密封性能影響分析
動密封軸的偏心（同軸度、圓度公差較大）將對滑油的泄漏產(chǎn)生很大的影響。圖2表示軸的偏心對間隙的影響，如果軸的中心與旋轉(zhuǎn)中心重合（即偏心為零），則磨損間隙很小，間隙C接近于零，見圖2（a），因為皮碗2磨損到剛剛與軸1脫離接觸時，就不再產(chǎn)生摩擦，此時C沿圓周均勻分布。
1傳動軸；2封嚴皮碗
圖2 偏心對間隙的影響
若軸的中心m與旋轉(zhuǎn)中心O不重合，則泄漏間隙增大，見圖2（b），Om即為偏心距e。因軸上的A點距旋轉(zhuǎn)中心O最遠，由于磨損的結果形成以O為圓心及以OA為半徑的圓。由圖可見，最大間隙在B點，此間隙為偏心距e的兩倍；最小間隙在A點，此間隙接近于零。間隙沿圓周的分布是不均勻的，呈月牙形。由于軸的旋轉(zhuǎn)迫使月牙形間隙所在位置周期性變化，如圖2（c）所示月牙形間隙轉(zhuǎn)到右側，因此起到了泵的抽吸作用，對密封很不利。因此，必須盡可能保證軸的中心與旋轉(zhuǎn)中心重合。
軸的同軸度和圓度是皮碗密封中考慮的主要問題。隨著速度的增高，密封唇與軸跳動的隨動能力下降。因而，高速下有形成月牙形間隙并泄漏的趨勢，可以稱之為軸的“凸輪”作用。一般參考資料[1]中推薦軸的圓度在5μm范圍內(nèi)。
3.2封嚴皮碗結構對密封性能影響分析
封嚴皮碗的摩擦功率增大是導致密封失效的主要原因。摩擦功率增大使得皮碗溫度升高，長期在高溫環(huán)境下工作，使得皮碗的橡膠材料失去本身的機械性能，如唇口掉料、撕裂等，皮碗失去封嚴作用[2]。
比較有效的的解決方法是采用流體動力唇密封（如圖3所示）。流體動力唇密封有一個環(huán)形的尖銳唇口用于形成主密封，在密封的空氣側加上一個從主密封向外伸展、模壓成型的螺旋槽型面，這些螺旋槽能把泄漏的滑油泵吸回去。由于螺旋槽的泵吸作用，因而能采用較輕的唇載荷，從而使摩擦功率降低，可在一定程度上防止泄漏。
圖3 流體動力唇密封結構
4 動密封結構設計改進[3]
對經(jīng)常發(fā)生漏油故障的動密封結構進行設計改進，使用性能較好的XD7433氟橡膠作為皮碗的材料，并設計成流體動力唇密封，根據(jù)傳動軸轉(zhuǎn)向設計螺旋槽旋向，同時將皮碗腰線寬度增加為皮碗總寬度的2/5。
對相配傳動軸（動密封跑道）和機匣（密封座）的尺寸精度進行了合理的設置，對密封跑道外徑尺寸增加圓度要求、將同軸度精度要求提高，如表1所示，可以有效避免產(chǎn)生月牙形間隙，防止泵吸現(xiàn)象的發(fā)生。改進后經(jīng)85小時試飛驗證，無漏油情況出現(xiàn)，表明該精度可以有效提高各部件之間的配合，同時這樣的精度等級不改變原有的加工方法，不會提高加工難度，這些改進有效的解決了動密封漏油現(xiàn)象，同時節(jié)約了加工和維修成本。
表1 動密封結構改進前、后對比
