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回转支承唇形密封圈设计与选材

2020-10-18 08:54

  回转支承唇形密封圈设计与选材_机械/仪表_工程科技_专业资料。在分析回转支承密封圈的密封机理基础上,提出一种新型回转支承唇形密封圈,重点对其唇形结构、唇角参数、压缩量、唇口接触面粗糙度和密封槽的尺寸及公差等关键结构要素进行了详细设计。

  Design & Research 设计研究 回转支承唇形密封圈设计与选材 Design and material selection of rotary bearing lip shape seal ring 祝 勇1,戴永奋1,汪永明2 ZHU Yong, DAI Yong-fen, WANG Yong-ming (1.马鞍山方圆回转支承股份有限公司,安徽 马鞍山 243041;2.安徽工业大学 机械工程学院,安徽 马鞍山 243002) [ 摘? 要 ] 在分析回转支承密封圈的密封机理基础上,结合实践提出一种新型回转支承唇形密封圈,重点对 其唇形结构、唇角参数、压缩量、唇口接触面粗糙度和密封槽的尺寸及公差等关键结构要素进行 了详细设计。 [ 关键词 ] 回转支承;唇形密封圈;设计;选材mec.2014.12.025 近年来回转支承在工程机械中被广泛应用。 回转支承密封圈是回转支承的主要构件之一,起 到防尘、防水以及防油脂泄漏的双重作用。本文 根据理论研究并结合实践经验,提出回转支承唇 形密封圈的唇角、压缩量、唇口接触面粗糙度、 密封槽尺寸公差等重要结构要素的设计方法和参 表1 改进前后同种机型效率对比 水泥混凝 土路面宽 度 (mm) 锯切 方式 路面 锯切 改进前 改进后 锯切 时间 锯切机 锯切机 深度 t 锯切路 锯切路 (mm) (min) 程 s(mm) 程 s(mm) 改进前后 同种机型 效率之差 h 5000 横向 60 5 2333 2×1460.5 25.2% 5000 横向 80 5 1750 2×1095 25.1% 5000 横向 120 10 2665 2×1660.5 24.6% 5000 横向 160 10 2000 2×1260.5 26% 10000 纵向 200 20 2660 2×1425 7.1% 向上自由移动,成功解决了水泥混凝土路面锯切 机锯切死角这一难题。通过数据对比分析可知, 当其在对较窄水泥混凝土路面横向锯切时,其锯 切效率可以得到明显改善,该锯片结构的改进设 计也可为水泥混凝土路面锯切机的进一步研发提 供借鉴。 O [参考文献] [1] 王良文.砼路面切割机的技术现状及其发展方向[J]. 工程机械,2003,34(2):34-37. [2]Sariisik A, Sariisik G. Investigation of the cutting performance of the natural stone block production in quarries with armedchain cutting machine[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2013, 227(6): 1291-1301. [3] 丁星妤.切割花岗岩的预合金粉末胎体金刚石锯片 的研究 [D].长沙:中南大学,2007. (编辑? 于? 洋) [中图分类号]TU64;U415.52+7 [文献标识码]B [文章编号]1001-1366(2014)12-0062-03 [收稿日期]2014-10-20 642014(12)建筑机械化 设计研究 Design & Research H1 H2 α H β δ 考值,并给出不同工况下的密封圈选材方法。 ε 1 回转支承密封圈概述 回转支承常用的密封圈是一种具有阻止滚 道内的润滑脂渗漏和外部环境的泥水、尘土等外 来物侵入滚道功能的橡胶制品,能对滚道、滚动 体、隔离体起到一定的保护作用,延长回转支承 使用寿命。目前国内回转支承的密封圈主要采用 合成纤维线 唇口 θ 腰部 B 图2 回转支承唇形密封圈断面图 类似于旋转轴唇形密封圈的接触式密封,一般安 装配精度较低,密封性能较旋转轴唇形密封圈差 装在回转支承的内外滚圈之间靠近滚圈间缝隙处 些,而后者直径较小,装配精度很高,密封性能 的位置,一端通过密封槽装配在回转支承的其中 优越。 一个滚圈上,另一端压附在相对转动的另外一个 滚圈的表面(图 1)。 3 唇形密封圈的设计 外滚圈 密封圈 内滚圈 3.1 密封圈的外形结构设计 回转支承最常用的密封圈为唇形密封圈,断 面为 L 形单唇结构的长条状,用胶水粘结对接成 为环形,这种结构应用最为广泛。在部分对可靠 性要求高的回转支承上可以考虑使用整体结构密 封圈,避免安装过程中的拉伸现象 [2],密封性能 图1 单排球式回转支承结构示意图 较好,在盾构、风电、雷达、医疗等领域已经有 所应用。 回转支承唇形密封圈与旋转轴唇形密封圈的 密封圈在装在密封槽内有少量的过盈量,并 结构和性能有较多相似之处,现行由北京建筑机 且有锯齿形倒刺以防止密封圈脱出 [2]。为防止装 械化研究院、马鞍山方圆回转支承股份有限公司 配时拉扯产生的变形并加强密封圈的强度,可以 等单位联合制订的回转支承行业标准中仅提出回 在内部植入合成纤维线)。密封圈的相关尺 转支承密封圈采用符合 HG/T 2811-1996 要求的 寸设计可参考表 1。为了进一步提高密封性能, SN7453 型丁腈橡胶制成 [1]。 还可以采用双唇结构密封圈,图 3 即为风力发电 2 密封机理 领域回转支承常用的一种带内外唇的双唇结构唇 尽管回转支承唇形密封圈与旋转轴唇 形密封圈有很多相似之处,但是从外形结 构、安装方式、密封性能等方面比较却存 在诸多差异。如:前者一般无骨架结构, 断面一般为 L 形(图 2),采用条状对接 成环形圈,后者多为有骨架的整体环形结 表1 密封圈与密封槽的关键尺寸设计参考表 尺寸代号 H H1 H2 B B1 Δ 设计值 (mm) 4~22 3~7 2~3 8~36 3.5~7.5 0.5~1.5 密 设计公差 (mm) ±0.3~1±0.3~0.6 ±0.3~1 / 封 角度代号 圈 α β δ ε λ θ 设计值 (° ) 30~45 25~35 60 135 150~160 105±3 构;前者通常依靠其本身的橡胶体的弹性 设计公差 ±1° ±1° ±5° ±5° ±2° ±2° 并设计压缩量来实现密封功能,后者一般 密 尺寸代号 d w s p 带有弹簧结构,向密封圈提供径向力以保 证密封;前者直径通常都在 ?280mm 以 封 设计值 (mm) 4~8 2.5~5 ≥3 3~8.5 槽 设计公差 (mm) 0~+0.3 0~+0.2 / 0~+0.3 上, 在 理 论 上 甚 至 可 以 没 有 尺 寸 限 制, 注:表中未注公差按照 GB/T3672.1-2002 中的 E2 级公差规定设计。 65 建筑机械化2014(12) Design & Research 设计研究 α' α VL θ' 内唇 外唇 图3 双唇结构密封圈结构示意图 形密封圈断面图。 3.2 密封圈的唇角设计 回转支承唇形密封圈与旋转轴唇形密封有着 相同的密封机理和相似的唇角结构。密封圈在装 配前后变形情况较复杂,其唇前角 α 角与唇后角 β 的角度大致变化情况为唇前角由 α 变为 α ′,唇 后角由 β 变为 β ′。根据图中的几何关系,不难证 明 α ′< α ,后唇角 β ′> β (图 4)。根据旋转轴唇 形密封圈的设计标准 [3] 并结合回转支承密封圈的 性能要求及实际使用效果,丁腈橡胶材质的密封 圈装配后 α ′在 30°~40°,β ′在 35°~45°之间时 密封效果较佳。对于其他材质的密封圈,根据材 料的不同物理特性可做适当调整,但是设计时 α 一般控制在 30°~ 45°,β 控制在 25°~35°(表 1), 双唇结构的唇角设计可参考单唇结构。 装配后唇口位置 空气 β' β 油脂 接触宽度 唇口与回转支承接触面 图4 密封圈装配后唇角变化示意图 3.3 密封圈的压缩量设计 根 据 密 封 机 理, 回 转 支 承 唇 形 密 封 圈 在 设 计时要考虑压缩量。压缩量可以理解为密封圈装 配前后其唇口沿回转支承轴向的变形量。这个变 形量分为两部分,一部分为密封圈腰部(图 2) 的压缩变形量,另一部分为唇口部位的压缩变形 量。0.01,唇口部位压缩量较密封圈整体压缩量小。压 缩量的存在使密封圈唇口部位产生与回转支承轴 向平行的轴向力,可以补偿回转支承滚道间隙造 成的回转支承端面(与密封圈接触面)的跳动。 由于回转支承滚道在使用过程中会发生机械 磨损,滚道间隙呈增大趋势,特别是在工况差、 保养不规范的情况下。在滚道磨损的过程中,密 封圈同时也在发生磨损。当滚道间隙增大到一定 程度后,回转支承受倾覆力矩时,若以其中一个 滚圈为参照,另一滚圈的平面相当于发生一个极 小的角度 θ ′的旋转,内外滚圈的几何位置关系则 发生变化。密封圈与回转支承的接触面间的压力 则会变小,密封圈压缩量变小,甚至在密封圈与 回转支承表面间会出现间隙(图 5)。 唇口压缩量变小,甚至出现间隙。 图5 密封圈唇口位置变化示意图 可见压缩量过小容易造成密封不严降低密封 性;压缩量过大,使唇口紧贴在接触面,容易形 成“干接触”[4],从而加速唇口磨损老化,甚至 失效。选择适当的压缩量非常重要。根据经验, 通常设计时唇口压缩量应随回转支承滚道中心直 径的增减做相应的变化。压缩量需要结合回转中 心直径、工况、密封圈材料、密封介质等因素做 适当调整。对于常用的 L 形丁腈橡胶单唇密封圈 压缩量 VL 控制在 1~2mm 较为合适,对于对回 转阻力矩有要求的回转支承,可以适当调整压缩 量,减小 0.5~0.8mm,而唇口预压缩量 VL 往 往控制在 0.3~1mm 时获得的唇口接触宽度有着 较好的密封效果(图 4)。 3.4 密封圈唇口接触面粗糙度设计 若密封圈与回转支承接触部位的表面粗糙 度过大,旋转时粗糙的表面就会切割密封圈唇口 662014(12)建筑机械化 设计研究 Design & Research p s w 部位而造成磨损加快使得唇下油膜增厚使密封失 效,若接触面粗糙度过小,则不利于接触面之间 储存润滑油脂,接触表面之间形成半干摩擦甚至 干摩擦,也会加剧密封圈磨损 [4]。 考虑到实际使用需要及经济性,通常密封圈 唇口与回转支承表面的粗糙度Ra取 1.6~3.2μ m, 对于密封圈其他部位表粗糙度以及密封圈安装槽 内 Ra 可取 6.3~12.5μ m。 3.5 密封圈与密封槽的尺寸及公差设计 密封圈的尺寸公差设计与其材料本身特性以 及生产工艺等因素有关,密封槽的尺寸公差只能 在机械加工过程中控制。 根据经验,如密封圈安装槽的深度尺寸设计 公差通常取 0~+0.3mm 为宜,密封槽的宽度尺 寸设计公差取 0~+0.2mm 为宜。根据密封圈规 格的不同,密封圈在密封槽内的过盈量 Δ(Δ= H1-w) 一般控制在 0.5~1.5mm 之间。唇形密封 圈及密封槽部分关键尺寸(图 2、图 6)公差设计 可参考表 1 中的经验值。 d 密封圈 图6 密封槽关键设计尺寸代号 4 密封圈选材 新应用领域中恶劣环境和复杂工况均对回转 支承的性能有较高的要求。回转支承的工况与密 封介质是密封圈的选材的重要参考因素。通过对 常见密封材料的综合性能比较,结合实践经验总 结,对不同应用领域的回转支承唇形密封圈橡胶 材料的选择可参考表 2。 5结语 影响回转支承唇形密封圈密封性能的因素较 表2 不同领域回转支承密封圈材料选用参考表 密封圈 材料 丁 腈 橡 胶 回转支承 主要应用领域 起重机、挖掘机以及其他相关 工程机械 风力发电设备、光伏发电设备 船舶设备 港口设备 说明 应用最为广 泛, 一 般 工 况 的 工程机械均可使 用,性价比高。 轻工机械设备 盾构、掘进机等设备 价格相对较 氟 钢铁冶炼等冶金设备 高, 耐 高 低 温 环 橡 雷达、导弹发射架等军工设备 境 和 可 靠 性 要 求 胶 医疗 CT 等医疗设备 较高工况及相关领 化工设备 域。 硅 食品加工设备 食 品 级 橡 胶, 橡 饮料灌装设备 耐腐蚀及耐用性 胶 医疗 CT 等医疗设备 相对差一些。 多且非常复杂,密封圈的密封性能直接影响到回 转支承的可靠性及使用寿命。随着行业的发展, 采用新结构和新材料的新型密封圈不断出现。本 文重点从回转支承唇形密封圈的结构设计和选材 等方面论述一些回转支承用密封圈的设计方法、 经验总结以及部分关键技术指标的控制标准。目 前国内橡胶行业还没有专门关于回转支承用密封 圈的相关标准,所以回转支承密封圈的标准化也 是后期回转支承相关研究工作的内容之一。 O [参考文献] [1]JB/T10839-2008,建筑用单排球式回转支承 [S]. [2]徐立明,陈? 卓.回转支承 [M].合肥:安徽科学 技术出版社,1988. [3] GB/T9877-2008,液压传动旋转轴唇形密封圈设 计规范 [S]. [4] 鲁选才,贺永军,杨维章,等.旋转轴唇形密封圈 的设计与选材 [J].特种橡胶制品,2010,31(5): 42-54. (编辑? 于? 洋) [中图分类号]TQ336.42;TH145 [文献标识码]B [文章编号]1001-1366(2014)12-0064-04 [收稿日期]2014-10-24 67 建筑机械化2014(12)

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