中高压液压系统用流体橡塑密封技术的应用与发展

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+ k% T3 p9 g% s: `0 _' a中高压液压系统用流体橡塑密封技术的应用与发展
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- T, o. t" e8 T0 \+ k4 A  i一、概述在液压系统及其元件中，设计、安置密封装置和密封元件的作用，在于防止工作介质的泄漏及外界尘埃和异物的侵入。设置于密封装置中，起密封作用的元件，即谓密封件。　　
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流体状态的工作介质，在液压元件及系统的容腔内流动或暂存，由于受压力、间隙、粘度等因素变化，而导致少量工作介质越过容腔边界，由高压腔向低压腔流出。此种"越界流出"的现象，称作泄漏。泄漏，分为内泄漏和外泄漏两大类。单位时间内泄漏的液体体积量，称作泄漏量。内泄漏，会引起液压系统效率的急剧下降，达不到所需的工作压力，使机械设备无法运作外泄漏，会造成工作介质浪费和污染环境，甚至引起机械操作失灵和人身事故。另，根据密封副偶合件，在机器运转过程中有无相对运动，可将密封分为动密封和静密封。液压机械对密封件的基本要求：　　
（1）密封件胶料的配方，其理化性能应满足在工况条件下，长期浸泡在介质中的物化性能指标要稳定，即密封件材料与油品的相容性要好。　　
0 @- G: u! @- h1 @（2）在液压系统出现瞬时脉动峰值压力的条件下，仍能保障密封装置不被击穿，且能在正常作业条件下，能满足主机作业一个大修期内无泄漏的使用要求。　　
/ d& Q8 H5 [) Y$ S7 E+ s2 Q9 i（3）动密封装置的动、静摩擦阻力要小，并须保持摩擦系数的稳定。避免出现密封偶件咬死或蠕动等情况。　　
（4）结构灵巧、拆装方便、成本低廉。　　

二十世纪三十代，随着西方国家机械工业的飞速发展，为解决环保及工业资源原材料的充分利用，德国卡尔.弗罗伊登贝克公司的Simmer博士发明了世界上第一个用于变速箱旋转轴动密封装置的铁壳牛皮油封。从而解决了高速旋转条件下轴的润滑与密封问题。促进了世界机械工业的发展，同时开创了密封技术研究的先河。为了纪念Simmer博士对机械工业和密封技术发展的贡献，西方国家将用于旋转轴动密封装置的这类产品命名为Simmering─油封。随着密封技术的发展，新型密封元件不断问世，也进一步确保了其后国际航空工业和民用工业领域中液压技术的应用和发展。

* N+ x+ L1 u; l8 U0 X0 ~1 I二、我国中高压液压机械密封技术的应用回顾。
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: ]& f8 h% [- T5 E) U4 \4 ?一九五三年，我国生产了第一台采用液压传动技术的机床产品。当时的液压系统的工作压力仅为2Mpa。密封系统中密封装置采用的密封元件最先进的是O型橡胶密封圈，一般为盘根或各类石棉制品。经过40余年的发展，目前我国的液压机械产品的液压系统的工作压力已经达到40Mpa，有的甚至超过的50Mpa。而与之配套服务的密封件工业也得到了相应的发展。以工程机械和锻压机床行业为例，60年代产品的液压系统的工作压力已经达到了16Mpa和21Mpa。到了80年代，工程机械和锻压机械的液压系统的工作压力已经达到了31.5Mpa和40Mpa。以橡塑密封件为应用主体的工程机械和锻压机床，其密封技术的应用和发展大致分为以下四个阶段：　　

% R# P0 Z0 I, z4 G2 Q1、起步阶段（1960-1970年）这期间的中国工程机械和锻压机床产品液压系统的工作压力分别为12和21Mpa。采用的密封系统用密封件有：O型圈（NBR）；铁壳-牛皮旋转油封；波纹铜皮+软木+金属弹簧的端面密封；石棉盘根；石棉+橡胶密封垫片；V形密封圈（牛皮+酚醛+胶木）；V形密封圈（NBR+夹织物）；软金属密封垫片等等。　　

2、创业阶段（1971-1980年）在此期间生产的中国工程机械和锻压机床行业主要产品的液压系统工作压力分别已达到16Mpa、21Mpa、31.5Mpa和40Mpa。其密封系统中采用的密封件以橡塑密封件为主，淘汰了牛皮、石棉纤维及波纹铜皮+软木的端面密封。主要形式为：O型密封圈（NBR、FKM）；履带底盘用浮动油封（金属环+O型圈）；内包骨架旋转油封（NBR、FKM、ACM）。液压与气动往复运动密封件则有O型圈（NBR、FKM）；U形密封圈（NBR、AU、EU）；V形密封圈（NBR+夹织物）；杯形密封圈（NBR+夹织物）等。在这10年间，为适应诸如工程机械、锻压机床等采用中高压液压技术产品的发展需要，由原机械部组建了7个专业橡塑密封件生产厂。另外，为推进中国液压和密封技术的发展，于1975年和1979年组建了"全国液压、气动标准化技术委员会"和"全国液压、气动标准化技术委员会橡塑密封标准化分技术委员会"（与ISO/TC131/SC7对应）以及摩擦学会流体密封分技术委员会。　　

* d( n0 }! o, s4 h9 W: E# E3、巩固和发展阶段（1981-1990年）国产工程机械和锻压机械主要产品的液压系统的工作压力普遍达到了16-40Mpa，其密封系统采用的密封件形式仍以橡塑密封制品为主,采用了新技术并提高了密封技术水平。主要型式有：O形密封圈（NBR、FKM）；履带底盘用浮动油封（O型圈+金属环）；润滑密封履带用密封组件（NBR+AU）；内骨架和外骨架旋转油封（NBR、FKM、ACM、EPDM）；组合密封垫圈（NBR+金属）；液压缸活塞和活塞杆动密封用同轴密封组件（PTFE+NBR）；旋转轴用动液压回流油封（NBR、FKM、ACM）；以及工作压力为1-3Mpa的耐压型旋转油封（NBR、FKM）；双向介质旋转油封（NBR、FKM）、液压缸活塞用带支承环双作用往复运动密封组件（NBR+PTFE+POM）等。　　

9 J1 i" ?# o  ^+ Z& ?1 U, ^4、高速发展阶段（1991年以后）工程机械、锻压机床和其他中高压液压机械行业先后引进了西方国家大量的产品制造技术，促进并加快了国外密封商家进入中国密封件市场的步伐。其间，先后引进了世界一般水平的日本荒井制作所油封生产技术和世界水平的英国Angst公司的油封制造技术及国际先进水平的美国派克公司的O型圈制造技术。
94年以后，密封件生产销售额占世界密封件销售额的55%的德国CARL.FREUDENBERG(以下简称C.F)集团收购了由法国普洛卡公司投资在长春的中法合资生产汽车密封件的长普密封件公司和在无锡设立了生产同类产品的无锡公司,交由C.F集团中的NOK-Freudenberg亚洲控股公司管理,并改称为长春恩福和无锡恩福密封件公司。但产品部分外销。而德国大众公司在中国合作生产的汽车用密封件则大部分仍从德国C.F公司采购。国外资金及技术的引进，提高了我国密封工业的总体水平，造就、培养和锻炼了密封件工业的队伍，加快了我国密封件工业的发展。

三、我国橡塑密封件工业的现状。上面介绍了中国密封件工业的发展概况，事实上在中国为工程机械、锻压机械及其他中高压液压机械行业配套服务的密封件生产企业有近千个。其中，生产橡塑密封件的厂家约300多家，橡塑密封件的总产量为14-15亿件，合计5-6亿元人民币。但具有较好生产条件和技术能力的企业只有40余家，其中具有雄厚技术能力、拥有成套先进设备的企业共有7-8家（从事军品密封制品生产的专业研究所不在其列）。
) m; a6 y. r1 R" M+ v尽管如此，这些企业生产的密封制品在质量和使用寿命方面仍与国外先进水平存在较大的差距，而在全球39个国家拥有203个子公司的德国C.F集团每年用于密封技术科研的开发费用就逾1亿美元。2000年该集团的密封件的销售额达到41.5亿欧元。因此，我国密封件行业的整体水平落后国际水平约15-20年。工程机械、汽车、锻压机床及其他中高压液压件行业引进了诸如林德、大众、奔驰、卡特、小松、采埃孚、力士乐等世界知名厂商的制造技术之后，国产密封件的产品品种及质量已无法满足引进先进制造技术产品的发展和配套需要就是例证。其次，需求量颇大的重型自卸式载重卡车的举升装置用小断面U形密封圈（AU），由于国产密封制品质量较差，主机和液压件厂仍需向国外大批采购。（如：北方奔驰）　　

7 i  I6 _( {4 q' T7 S" T7 H! K7 m1、密封件产品质量　　20余年来，经国内科研技术人员的共同努力，建立了完整的与ISO/TC131/SC7接轨的各类密封件安装腔体国家标准体系。同时也建立了与各类密封件国际标准接轨的密封件尺寸系列、密封件性能指标及密封件外观质量、密封件包装、储存、运输等密封件国家标准体系。从而方便了工程机械、锻压机床和其他中高压液压机械产品密封系统用密封件的设计和选用。然而在实际操作中仍有许多弊病存在。其原因主要是工业基础过于薄弱，原材料的质量和品种规格均不尽如人意，以及管理工作不规范等等。其差距尤以液压泵、液压马达和变速箱用旋转油封及液压缸往复运动密封的产品质量最甚。
% ?2 y! b6 y. R+ o) l针对ZL50C装载机驱动桥轮边油封的使用性能及使用寿命，笔者曾做过一次装机对比试验（各装5台），采用国内具有一流水平的科研单位研制的带副唇的仿制英国DOWTY公司结构的骨架油封，装机后经路面试验仅50公里，5台主机被试部就开始泄漏。而同时装机考核的德国C.F公司生产的BAUSL油封装机经使用逾3年后，5台主机被试部仍未发生泄漏。又如：工程机械液压缸动密封元件的使用性能及使用寿命，国外水平可满足5000工作小时无泄漏，而国产同类密封件的使用寿命一般为其1/10，有的甚至还不足100工作小时。　　

2、密封系统的设计和应用水平　　密封系统的设计和应用水平依赖于密封制品的研制能力，主要表现在下列3个方面。　
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（1）旋转动密封系统　目前大量采用的仍是普通标准型油封，对于有压力要求的旋转密封装置只能提供1-3Mpa的耐压油封（只有个别厂能提供耐压3Mpa的油封），而国际领先水平的C.F公司生产的BAHD型油封，其使用压力可达10Mpa。动液压回流油封的应用在国产工程机械旋转密封装置中还未得到普及。　
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（2）液压缸往复动密封系统　　目前大多数国产工程机械和锻压机床、冶金设备的液压缸动密封系统均采用以U形密封圈为主体的密封系统设计。我国90年代中期设计生产的国产工程机械和锻压机床的液压缸动密封系统虽然开始采用了同轴密封组件和U形密封圈的复合设计，但水平仍落后于国际先进水平。当今国际先进的液压缸密封系统设计已普遍采用5组件（或3组件）液压缸活塞用带支承环组合密封组件和活塞杆复式密封装置的密封系统设计（见附图）。但，由于5组件（或3组件）活塞用带支承环组合密封件的制作工艺较为复杂，国内尚停留在小批量制作的阶段，且质量稳定性较差。　
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) O0 v1 `' T. h（3）静密封系统　　静密封系统中虽然取消了石棉及植物纤维密封制品，但高分子材料液态密封垫的使用尚不普及。目前国内使用的此类产品仍以乐泰公司生产的产品为主。国产液态密封胶及用于液压系统管系连接的厌氧胶产品的品牌较少，且在涂敷工艺和质量性能方面较美国洛泰公司的同类产品均存在较大差距。
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四、对我国橡塑密封技术和密封件工业前景的展望　　随着国际先进科技和制造技术的引进及2000年后国民经济的发展趋势，以引进先进技术为依托的中国工程机械和锻压机床、冶金设备等工业将有较大的发展。这些机械的液压系统工作压力和系统的先进性、工作可靠性的提高，必将促进我国密封系统设计及密封元件制造技术的提高和发展。
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# O" K  f) Q0 j9 k因此，中国密封技术和科研及密封件制造工业将面对由工程机械、锻压机床、冶金设备及其他中高压液压机械行业提出的严峻课题。可以预见，届时中国密封工业体系将不再是一个高能耗、低效率、结构庞杂的小农经济式的经营模式，而将以一个具有高度集约化、规模化、低能耗、高效率的经济模式所替代。我们可以看到，届时中国密封件的主要品种将有60%达到国际80年代末90年代初的质量水平，同时也将有15%的产品品种达到国际密封件产品的当代质量水平。可以预计，由于有了具有国际水平的密封工业为依托，中国工程机械、锻压机床、水利、冶金等行业的中高压液压机械产品的密封系统设计和应用水平将达到国际90年代中期的技术水准。