传动轴封严皮碗密封失效分析与结构改进
发布时间：2019-11-14信息来源：浏览次数：1542
1 概述
封严皮碗是在机械传动系统中应用较为广泛的一种唇形动密封部件，具有装配简单、尺寸紧凑和成本低廉的优点。封严皮碗在使用中遇到的主要问题是滑油的泄漏，给用户日常维护增加了工作量，提高了维护成本。本文分析了影响封严皮碗动密封性能的主要因素，针对分析结果对动密封结构进行了改进。
2 封严皮碗结构
封严皮碗装配于传动轴与机匣之间，由金属骨架、橡胶皮碗和弹簧组成。在工作中，带有金属骨架的橡胶皮碗在弹簧的弹性作用下，将皮碗唇口与传动轴紧紧压在一起，阻断泄漏间隙，达到封严目的。皮碗唇口接触应力呈尖锐分布，如图1所示，断面形状及箍紧弹簧使唇口对轴具有较好的追随补偿性能。
图1 橡胶皮碗及其唇口接触应力
3 封严皮碗密封失效分析
3.1动密封轴的偏心对密封性能影响分析
动密封轴的偏心（同轴度、圆度公差较大）将对滑油的泄漏产生很大的影响。图2表示轴的偏心对间隙的影响，如果轴的中心与旋转中心重合（即偏心为零），则磨损间隙很小，间隙C接近于零，见图2（a），因为皮碗2磨损到刚刚与轴1脱离接触时，就不再产生摩擦，此时C沿圆周均匀分布。
1传动轴；2封严皮碗
图2 偏心对间隙的影响
若轴的中心m与旋转中心O不重合，则泄漏间隙增大，见图2（b），Om即为偏心距e。因轴上的A点距旋转中心O最远，由于磨损的结果形成以O为圆心及以OA为半径的圆。由图可见，最大间隙在B点，此间隙为偏心距e的两倍；最小间隙在A点，此间隙接近于零。间隙沿圆周的分布是不均匀的，呈月牙形。由于轴的旋转迫使月牙形间隙所在位置周期性变化，如图2（c）所示月牙形间隙转到右侧，因此起到了泵的抽吸作用，对密封很不利。因此，必须尽可能保证轴的中心与旋转中心重合。
轴的同轴度和圆度是皮碗密封中考虑的主要问题。随着速度的增高，密封唇与轴跳动的随动能力下降。因而，高速下有形成月牙形间隙并泄漏的趋势，可以称之为轴的“凸轮”作用。一般参考资料[1]中推荐轴的圆度在5μm范围内。
3.2封严皮碗结构对密封性能影响分析
封严皮碗的摩擦功率增大是导致密封失效的主要原因。摩擦功率增大使得皮碗温度升高，长期在高温环境下工作，使得皮碗的橡胶材料失去本身的机械性能，如唇口掉料、撕裂等，皮碗失去封严作用[2]。
比较有效的的解决方法是采用流体动力唇密封（如图3所示）。流体动力唇密封有一个环形的尖锐唇口用于形成主密封，在密封的空气侧加上一个从主密封向外伸展、模压成型的螺旋槽型面，这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，因而能采用较轻的唇载荷，从而使摩擦功率降低，可在一定程度上防止泄漏。
图3 流体动力唇密封结构
4 动密封结构设计改进[3]
对经常发生漏油故障的动密封结构进行设计改进，使用性能较好的XD7433氟橡胶作为皮碗的材料，并设计成流体动力唇密封，根据传动轴转向设计螺旋槽旋向，同时将皮碗腰线宽度增加为皮碗总宽度的2/5。
对相配传动轴（动密封跑道）和机匣（密封座）的尺寸精度进行了合理的设置，对密封跑道外径尺寸增加圆度要求、将同轴度精度要求提高，如表1所示，可以有效避免产生月牙形间隙，防止泵吸现象的发生。改进后经85小时试飞验证，无漏油情况出现，表明该精度可以有效提高各部件之间的配合，同时这样的精度等级不改变原有的加工方法，不会提高加工难度，这些改进有效的解决了动密封漏油现象，同时节约了加工和维修成本。
表1 动密封结构改进前、后对比
