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聚四氟乙烯油封材料

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聚四氟乙烯油封材料
 

聚四氟乙烯油封材料

聚四氟乙烯油封材料

聚四氟乙烯油封材料自80年代以来,美国Cummins柴油机公司、Catpilar工程机械公司等相继广泛使用由美国Mather、National等公司研制成功的填充聚四氟乙烯材料油封代替以前使用的唇形橡胶油封,成功地解决了柴油机因油封密封不好而产生的漏水漏油问题,同时大大提高了柴油机整机的可靠性,降低了维修保养费用,使柴油机整机的经济效益明显提高。

  这种填充聚四氟乙烯材料油封,既具有唇形橡胶油封结构简单、安装方便的优点,又具有机械密封能够密封高压流体、使用寿命长、能够密封多种流体介质等特点。其密封唇口较橡胶油封宽,密封唇与轴接触宽度上加工有回油螺纹线(或螺旋槽),能够充分利用填充聚四氟乙烯材料的“记忆效应”,唇口弹性充足,又利用动力回油螺旋槽,封油不再依靠象橡胶油封需要较高的加在唇口上的径向压力。因此,它是一种新型的动力油封。目前,这种油封在国外尚属先进产品,其生产技术还处于保密阶段。

  这种油封有以下突出优点:

  ①能密封高压油介质。具有单唇口的油封可以密封压力在1MPa以内的介质,而具有双唇口的油封则可以密封压力在3.5MPa以内的介质。
  ②耐温性能好。可以在-200℃~+300℃内正常工作。
  ③耐高速。允许所配合的旋转轴的工作线速度在30m/s以上。
  ④耐偏心性好。允许所配合的旋转轴安装偏心量达0.5mm,运转过程中偏心量达0.75mm。
  ⑤耐腐蚀性好。几乎能耐一切酸碱及化学物质而不老化、变质、改性。
  ⑥使用寿命长。在汽车上,其使用寿命在80万公里以上;在发电机组或船舶动力机组上,其使用寿命在10000小时以上。
  ⑦密封效果:在设计寿命内,可以做到零泄漏。

  目前,常见的填充聚四氟乙烯材料油封结构有以下几种:

  ①仅具有单一密封唇口的油封。这类油封又可分成两种,一种是唇口无螺旋槽(参见图1),这种油封一般用作往复运动的轴的密封。如Cummins公司柴油机上的调温器密封圈,便是这种型式的油封;另一种是唇口上有螺旋槽的(参见图2),这种油封主要用作密封介质比较单一、周围环境比较干净的旋转轴油封,其主要保证所密封的液体介质不外流,如Cummins公司柴油机上的曲轴前油封等。

 

1.金属骨架2.主密封唇3.螺旋槽4.垫圈5.副密封唇6.防尘唇
PTFE油封结构示意图

  ②有双密封唇口的油封。这类油封也可以分为两种,一种是除密封主唇口上有螺旋槽外,还带有一个防尘唇(副唇,参见图3),这个防尘唇主要用来防止外界杂质(泥沙、灰尘、水等)进入所密封的介质中,同时也防止外界杂质进人主密封唇与旋转轴之间,以免引起油封唇口或旋转轴的磨损。如Cummins发动机前端的辅助风扇驱动轴油封等;另一种是不仅主密封唇口上有螺旋槽,副密封唇上也有螺旋槽(参见图4),其主要用于密封两种不同的液体介质,防止一种液体介质泄^另一种液体介质。如推土机发动机曲轴后油封,它既要保证发动机机油不流入液力变扭器,又要保证液力变扭器中的润滑油不流入发动机。

  4.2PTFE油封的密封机理

  装配好的PTFE油封在发动机运转几转后,其密封唇就会将一层很薄很薄的PTFE薄膜涂覆到旋转轴颈上,并借助于自身的弹性变形,使辱口部分很好地贴合在轴颈上,并能与发动机一起随动。发动机在工作过程中,进入油封唇部与轴颈贴台部位的润滑油膜随发动机旋转轴一起转动,一旦油膜碰到油封螺旋槽,就将会受到螺旋斜面的作用而产生一个向发动机内密封介质的作用力(参见图5),此力就会将欲外流的液体介质压回储油端,即油封螺旋槽具有泵吸的功能。当该作用力大于油膜本身受到的来自储油端的油压时,这就能实现密封。

 

图5 油膜受力分析

  上述分压力可用下列公式进行计算:

 

  式中:P——螺旋槽产生的一个作用力
    C——旋转轴与油封唇口之间的间隙
    L——唇口与轴接触宽度
    V——旋转轴表面线速度
    μ——液体介质的动力粘度
    F(a,s)——螺纹结构要素

  由上式可知,当发动机工况一定(即μ、V、C基本不变)及一定的设计条件(即L不变)时,F(a,s)是影响上述分压力的重要原因,即油封密封唇部螺旋槽的大小、角度、方向、旋向、密封材料硬度及其弹性等将直接影响到油封的分压力,即影响油封的密封性能。

  5.对填充聚四氟乙烯油封的要求

  为了保证填充聚四氟乙烯材料油封质量,使其耐久、可靠,国外一些柴油机公司规定了极为严格的技术要求,要求其使用寿命必须达到80万公里或10000小时以上;同时,还必须用数个油封在柴油机上进行100~500小时连续强化试验,而且要求从试验开始到试验结束期间,不允许有任何渗漏现象,即使试验轴上重复出现的油膜痕迹也是不允许的;试验结束后,油封轴颈上的磨损部位的凹陷深度不得大于0.05mm,油封唇部最大磨损宽度不得大于0.90mm。

  这样的设计和试验要求,远远高于现行的橡胶油封国际、国内标准,应该说是目前世界上最为苛刻的设计、试验要求。

  到目前为止,国内基本上还没有能够完全满足PTFE油封的试验台架,也没有较为全面的试验标准,只有个别企业在消化国外一些公司不太完善的技术标准基础上,根据国内现状并结台ISO6194标准制定的试验方法,采取国产油封与同类进口油封进行对比试验。

  填充聚四氟乙烯油封材料系在聚四氟乙烯材料中加入一定量的二硫化钼、玻璃纤维、石墨等填料后形成的,一般而言,聚四氟乙烯材料的硬度都在邵氏D50~60,已达到国外一些公司对填充聚四氟乙烯油封材料的硬度要求,如果再向其中仅仅简单加入前述填料,则材料的硬度将会更高,从而使材科的弹性降低,柔韧性变差,而材科的弹性、柔韧性则是直接影响油封密封性能的重要因素。因此,如果解决了油封材料的硬度和弹性问题,则是研制成功填充聚四氟乙烯油封的关键问题。

  从目前的情况看,经过多年努力,国内个别厂(商)通过不断消化国外技术和潜心研究、试验、改进,已基本解决了聚四氟乙烯油封的静密封、螺旋槽成型工艺、螺旋槽的尺寸、旋向、角度等技术难题,材料性能已逐步接近国外产品,如若能够继续努力,组织专业技术人员不断探索、研究、试验、改进、提高,国产填充聚四氟乙烯材料油封达到国外同类产品技术水平应该是没有问题的,只有认真做好改进、试验工作,不断提高其质量和性能水平,用试验数据来证明国产油封的技术、质量水平。

  另外,由于油封材料及结构的特殊性,又由于国内尚无完善的检测设备、检测方法等,填充聚四氟乙烯油封的质量需要由制造厂(商)来保证,因此,生产单位必须不断完善制造工艺、检测设施、检测方法,配备技术过硬的专职检验人员等,严把质量关,并确保油封质量既要稳定,又有所提高,以消除用户对油封质量稳定性的担心,才能让更多用户真正能用、敢用国产填充聚四氟乙烯油封,并为今后橡胶油封的改型换代创造条件。

  6.总结

  6.1填充聚四氟乙烯材料油封是一种技术含量较高的产品,是今后油封发展的一个方向,应尽快研制成功,并大批量投放市场。

  6.2有关部门应该着手制定有关填充聚四氟乙烯材料油封的技术要求和试验标准,以使指导这种油封的研制、生产和试验,为今后这类产品的规范化提供技术依据。

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