新型聚四氟乙烯油封的研制

新型聚四氟乙烯油封的研制
汤毓红1 　刘卫东1 　安源胜2 　朱大滨2
(11上海高桥炼油事业部　上海200137; 21华东理工大学化工机械研究所　上海200237)
摘要: 针对石化企业高温、高速、长寿命的要求, 设计了一种新型改性聚四氟乙烯油封。这种油封具有非对称双唇
结构, 在唇口背部设有回油叶片, 并在密封唇上开有螺旋回流槽。实验测试结果表明, 这种新型油封具有非常优良的密
封性能和使用性能, 具有良好的推广应用价值。
关键词: 密封; 油封; 聚四氟乙烯; 螺旋槽
中图分类号: TQ32514　文献标识码: A　文章编号: 0254 - 0150 (2007) 4 - 170 - 3
Development of New PTFE L ip Seal
Tang Yuho ng1 　Liu W e ido ng1 　An Yuan sheng2 　Zhu Dab in2
(11ShanghaiOil Refinery, Shanghai 200137, China;
21Research Institute of Chemical Process Equipment &Machine,
East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)
Abstract:A new type Teflon ( PTFE) lip sealwas developed to satisfy the sealing requirement of oil refinery and chem2
ical p lant for high quality seal p roducts used in elevated temperature, high speed condition with long service life. The lip
seal is a hydrodynamic sealwith a special elastomeric rib and asymmetry configuration. Some grooveswere designed on the
back of the lip. Test results reveal that the lip seal performs very well under the critical conditions with a relatively good
service life. It can be used in a wide field.
Keywords: sealing; lip seal; p loyetraflurethylene ( PTFE) ; sp iral grooves
　在工业生产中, 油封是一种应用非常广泛的密封
元件, 大量用于旋转设备及其辅助设备以阻隔润滑油
或其它工作介质的泄漏[ 1 ]。常见油封结构如图1 所
示, 分为单唇和双唇2 种, 其密封主体为弹性材料,
通常采用丁腈橡胶、氟橡胶或聚氨酯等橡塑材料加工
而成。这种油封价格低廉, 被广泛应用于工业领域,
是使用最广泛的动密封元件之一。但由于普通橡胶材
料耐温、耐压和耐腐蚀性能较差, 传统的橡塑油封使
用寿命较短, 很难满足日益苛刻的工作环境和长期运
行的要求, 常导致旋转设备泄漏和早期失效[ 2 ] 。为了
较好解决需要长期运转设备的轴端密封问题, 经过近
3年的试验研究, 本文作者研制开发出了一种新型聚
四氟乙烯油封, 使用结果表明, 这种新型聚四氟乙烯
油封具有非常优良的密封性能和使用性能, 与普通油
封相比, 密封性能和使用寿命分别提高30%和500%
以上, 具有良好的推广应用价值。
图1　常用油封结构
1　新型聚四氟乙烯油封的研制
111　新型油封结构和工作原理
图2　新型油封结构
新型聚四氟乙烯油封的结构如图2所示, 油封总
体由不锈钢骨架、改性聚四氟乙烯弹性体和弹簧组
成。金属骨架采用304不锈钢材料冲压而成, 弹性体
采用改性聚四氟乙烯与氟橡胶复合而成, 弹性体外圈
与不锈钢骨架嵌合, 内圈加工成左右2个唇口, 并通
过弹簧紧固在旋转的轴上。
改性聚四氟乙烯弹性体的右端为前置密封唇口,
工作时起主密封作用, 在唇口背部设有回油叶片, 并
在密封唇上开有螺旋回流槽, 这些叶片和螺旋槽一方
面具有促进液膜建立, 阻止介质泄漏的作用, 另一方
面具有将外泄的介质泵送回密封腔内的作用。左端为
延时密封唇口, 在油封起始工作时仅与轴微压接触,
基本不起密封作用, 但可以防止外界杂质进入密封腔
中, 或进入密封唇与旋转轴之间, 以免引起油封唇口
或旋转轴的磨损。当油封运行较长时间后前置唇口磨
损较多时, 在摩擦热的作用下, 热敏碟簧片发生锥形
翘屈引发弹性体发生变形, 右端唇口微微张开, 而左
端密封唇口内圈收紧, 此时左端密封唇口开始工作,
成为主密封唇口。
油封的密封机制比较复杂, 工作时主要依赖3个
方面的作用力: 弹簧对油封唇口的紧固力, 油封与轴
的过盈配合在唇口区产生的压紧力, 以及回油叶片和
回油槽在旋转时产生的泵送反压力。密封理论[ 3 ]认
为: 油封装配好运转几转后, 借助于自身的弹形变
形, 油封唇口部分就可以很好地贴合在轴径上, 唇口
与旋转轴间形成一层厚度均匀的液膜, 这层液膜随着
旋转轴一起转动, 当液膜碰到油封螺旋槽时, 就会受
到螺旋槽面的作用而产生一个轴向作用力, 这个轴向
作用力将流向外部的液体反向推回储油槽内。当该作
用力大于油封本身受到的来自储油槽内部的液体压力
时, 就能实现密封。油封螺旋槽反作用力可以用下面
公式计算:
pF =μLvδζ ( 1)
式中: pF 为螺旋槽产生的轴向反作用力, MPa; L 为
唇口与轴接触宽度, mm; v为旋转轴表面线速度,
m / s; μ为液体介质的动力粘度; δ为油封唇口与旋
转轴之间的液膜厚度或间隙, mm; ζ为螺旋槽结构
要素系数。
由公式( 1) 可知, 影响油封螺旋槽反作用力大
小的主要因素包括工作介质的粘度、转速、油封的结
构形式以及油封唇口与旋转轴之间的液膜厚度或间
隙。假设工况一定(μ, v基本不变) 、油封结构一定
(L、ζ不变) 、油封唇口与旋转轴之间的液膜厚度或
间隙δ不变时, 则油封轴向反作用力一定, 就可以保
证良好的密封。
显然, 要保证油封长期良好工作, 就要保证油封
的结构不变和液膜厚度保持稳定。
112　改性聚四氟乙烯密封材料研制
由图1、2可见, 在油封工作时, 主要是由橡塑
材料加工而成的弹性体起密封作用, 其它部件如金属
骨架和弹簧等起固定形状和施加预紧力的作用。文献
[ 4 ] 研究结果表明, 油封的使用性能一方面与轴的
材料、轴面硬度、粗糙度、装配公差和对中程度有
关, 另一方面则与弹性体橡塑材料的耐磨性、润滑性
和热稳定性等性能密切相关。假设轴的加工、安装完
好, 则选用耐磨且热稳定性优良的弹性体材料是保证
油封长周期工作的关键。
聚四氟乙烯( PTFE) 不受氧或紫外光的作用,
耐酸、耐碱、耐溶剂, 具有优良的耐化学药品性能,
耐高低温性能和热稳定性极为突出, 可在- 240～260
℃范围内长期使用, 并且具有良好的自润滑性能, 非
常适宜制作密封件[ 5 ]。但由于纯PTFE具有冷流性,
易蠕变, 大大限制了其应用范围, 必须通过改性处
理。
聚四氟乙烯改性技术国外研究得比较深入, 一些
工业先进国家采用改性聚四氟乙烯已制作出系列化组
合密封件产品, 用于车辆、设备, 大大提高了车辆、
设备的使用性能[ 6 - 7 ]。
本文作者采用碳纤维填充聚四氟乙烯, 并利用定
向结晶控制技术, 研制开发了一种新型改性聚四氟乙
烯密封材料。弹性体采用PTFE、氟橡胶( FPM) 弹
性复合材料, 同时兼备橡胶材料良好的弹性以及PT2
FE材料优异的物化性能。测试结果表明, 这种改性
聚四氟乙烯密封材料具有非常优异的使用性能。其耐
磨性是普通PTFE的100～1 000倍, 抗蠕变性为普通
PTFE的2～3倍, 并且还具有较高的透明度和弹性。
2　新型油封性能测试
为了评估研制的新型聚四氟乙烯( PTFE) 油封
的性能, 作者分别在动密封件性能试验台和工厂污水
泵上进行了测试。
2007年第 4期 汤毓红等: 新型聚四氟乙烯油封的研制 171
试验台参数: 轴径<50 mm, 转速0 ～7 860 r/
min, 介质42#机油, 油压0135 MPa;
污水泵参数: 轴径<110 mm, 转速1 460 r/min,
介质为40#机油, 无油压。
211　密封性能测试
新型PTFE油封和丁腈橡胶(NBR) 油封的密封
性能测试结果如图3, 4所示。
由图3可见, 当转速较低时, 随转速增加油封泄
漏量有减小的趋势, 当转速大于6 000 r /min 以后,
随转速增加油封泄漏量亦随着增大。由图4 可见,
PFTE油封的密封性能明显好于NBR油封, NBR油封
仅在较短的时间内泄漏量较小, 随着使用时间的增
加, 泄漏量快速增加, 连续工作6 000 h以后, 泄漏
量已超过标准[ 8 ]的规定。而PTFE油封则可以在较长
的时间内平稳运行, 连续运行8 000 h以后, 泄漏量
依然非常小, 显然PTFE油封可以连续运行更长的时
间。
212　密封唇口温升测试
图5给出了油封唇口温度变化测量结果, 可看出
PTFE油封唇口的温度略高于NBR油封。由于PTFE
的使用温度为220 ℃, NBR的使用温度为90 ℃, 改
性PTFE的耐温性能远好于NBR, 在50 ～60 ℃范围
内, PTFE油封运转良好。
213　摩擦磨损性能测试
　图6给出了改性PTFE与NBR 摩擦磨损测量结
果。可见, NBR的磨损速度较快, 而PTFE的磨损率
非常低, 经过8 000 h的磨损试验, PTFE材料仅磨掉
了0134 mm的厚度。相同条件下, 这种新型改性PT2
FE的耐磨性能是NBR的500% ～1 000%。
214　使用寿命测试
　图7　不同转速下油封
的使用寿命曲线
根据标准[ 8 ] 规定,
使用过程中油封的泄漏
量不得大于5 mL /h, 测
定不同转速下油封的使
用寿命结果如图7所示。
由图7 可见, 在相
同转速下PTFE 油封具
有更长的使用寿命。
3　结论
采用改性聚四氟乙烯材料, 设计开发了一种新型
油封。该油封采用带螺旋槽的双唇结构, 具有较好的
动态密封性能。弹性体采用PTFE、氟橡胶( FPM)
弹性复合材料, 同时兼备橡胶材料良好的弹性以及
PTFE材料优异的物化性能。台架检测与现场考核结
果表明, 这种新型聚四氟乙烯油封具有非常优良的密
封性能和使用性能, 与普通油封相比, 密封性能和使
用寿命分别提高30%和500%以上, 较好地解决了高
温、高速、高耐磨旋转部位苛刻的动态密封难题, 具
有良好的推广应用价值。
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