李杰， 王艷秋 ， 祝木偉

(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程學(xué)院，江蘇 徐州 221140)

工程機(jī)械用的密封元件屬于精密、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的機(jī)械基礎(chǔ)元件，對(duì)整個(gè)設(shè)備的可靠性起關(guān)鍵作用。本文中的特種密封彈性體是指專用于特殊環(huán)境（高低溫、酸堿、高壓和耐油等環(huán)境）下的橡塑材料。

目前國(guó)內(nèi)工程機(jī)械設(shè)備的最大難題就是“ 三漏”問題（漏油、漏水、漏氣）。這是因?yàn)閲?guó)內(nèi)工程機(jī)械設(shè)備使用環(huán)境惡劣，使用頻繁，不重視保養(yǎng)，時(shí)常超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。在極寒地區(qū)的工程機(jī)械設(shè)備的使用溫度在零下50～60 ℃甚至更低，密封彈性體材料的彈性在低溫下明顯降低，永久壓縮變形率會(huì)顯著提高，而彈性降低和永久壓縮變形量提高都是材料密封性能變差的表現(xiàn)，因而產(chǎn)生泄漏的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著提升，設(shè)備可靠性明顯下降。密封材料是工程機(jī)械設(shè)備可靠性的最大短板，為了滿足工程機(jī)械行業(yè)的需求和發(fā)展，開展對(duì)工程機(jī)械用特種密封彈性體的研究具有重大意義。

1 工程機(jī)械用特種彈性體密封的類型及性能

1.1 特種彈性體密封的分類

工程機(jī)械產(chǎn)品的特種彈性體密封可分為相對(duì)接合面靜止的靜密封和相對(duì)接合面運(yùn)動(dòng)的動(dòng)密封兩大類[1]，具體分類詳見圖1。

圖1 工程機(jī)械產(chǎn)品特種彈性體密封類型

根據(jù)正常工作時(shí)的環(huán)境壓力，靜密封又可分為中低壓靜密封以及高壓靜密封兩類；按照密封元件的運(yùn)動(dòng)方式，動(dòng)密封則可以分為旋轉(zhuǎn)密封和往復(fù)密封兩種基本類型。如果按照密封件與其作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件是否接觸，可以分為接觸式密封和非接觸式密封。一般說來，接觸式密封的密封性好，但受摩擦磨損限制，適用于密封面線速度較低的場(chǎng)合。非接觸式密封的密封性較差，適用于較高速度的場(chǎng)合。

機(jī)械設(shè)備用密封元件應(yīng)滿足密封功能的要求。由于被密封的介質(zhì)不同、設(shè)備的工作條件不同，要求密封元件的材料能夠適應(yīng)不同的環(huán)境條件。對(duì)密封材料的要求：

（1）要有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)度和硬度，壓縮性和回彈性好，永久變形量?。?/p>

（2）高溫下不分解軟化，低溫下不脆裂；

（3）耐腐蝕性能好，在酸、堿和油等介質(zhì)中能長(zhǎng)期工作，并且其體積變化和硬度變化小；

（4）摩擦系數(shù)要小，耐磨性能好；

（5）耐老化性好，耐候性好；

（6）取材和加工制造容易，價(jià)格便宜等。

1.2 典型特種彈性體的基本性能

典型特種彈性體的基本性能見表1。

表1 典型特種密封彈性體的基本性能

2 特種密封彈性體在工程機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用

工程機(jī)械設(shè)備的五大部分需使用特種密封彈性體,如圖2 所示。

圖2 特種密封彈性體在工程機(jī)械設(shè)備上的應(yīng)用

2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)

工程機(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)一般是指把動(dòng)力從原動(dòng)機(jī)傳遞到負(fù)載的機(jī)械裝置，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、減速機(jī)、車橋、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等。在整機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)為了使設(shè)備能夠在寒冷以及高溫地區(qū)正常工作，對(duì)所用密封元件提出了嚴(yán)格的要求，一般要求發(fā)動(dòng)機(jī)用密封元件的工作溫度范圍為：-45～200 ℃，變速箱及其他傳動(dòng)部件中密封元件使用的材料能夠在-40～170 ℃的齒輪油中保持良好的物理機(jī)械性能[2]。同時(shí)，工程機(jī)械中所用的潤(rùn)滑油大部分采用極壓潤(rùn)滑，即在潤(rùn)滑油中加入Cl、P、F 等元素的化合物，使其在金屬表面形成一層保護(hù)膜，這些添加劑元素對(duì)密封材料有極大的腐蝕破壞作用，增加滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。

通過企業(yè)走訪和調(diào)研，工程機(jī)械行業(yè)傳動(dòng)系統(tǒng)主要用的特種密封彈性體如表2 所示。

表2 傳動(dòng)系統(tǒng)主要用特種密封彈性體

傳動(dòng)系統(tǒng)是工程機(jī)械設(shè)備的動(dòng)作執(zhí)行單元，為提供設(shè)備的可靠性，很多人對(duì)特種密封材料進(jìn)行了研究。屈盛官等[3]對(duì)大功率柴油機(jī)曲軸油封的密封性能進(jìn)行了研究，采用了帶回流線型的氟橡膠油封和復(fù)合材料油封，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝配與使用上加以改進(jìn)，通過油封的部件臺(tái)架試驗(yàn)、整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和試車試驗(yàn)加以驗(yàn)證，取得了良好的效果。宋有國(guó)等[4]對(duì)康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸后油封密封性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)6B后油封為雙唇形骨架式復(fù)合油封，骨架采用冷軋鋼，密封材料為復(fù)合特性PTFE，采用回流型結(jié)構(gòu)，密封性能良好。林瑋靜等[5]研究了重卡驅(qū)動(dòng)橋油封的密封性能，采用了三代粘結(jié)式F4 油封的主唇材料— 填充改性PTFE 具有自潤(rùn)滑性能，強(qiáng)度高和耐磨性好，減少了摩擦系數(shù)，使油封更具有耐久性。

2.2 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性對(duì)于工程機(jī)械的操作和安全至關(guān)重要，工程機(jī)械領(lǐng)域液壓系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種工作裝置和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如制動(dòng)、傳動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等，特別是在重型工程機(jī)械中，液壓系統(tǒng)的應(yīng)用比例更高，工作壓力也非常大，一般壓力范圍在3～50 MPa，對(duì)于超過50 MPa 的密封元件需做特殊設(shè)計(jì)，因此液壓系統(tǒng)需要耐高壓耐油的特種密封元件。工程機(jī)械液壓系統(tǒng)主要包括液壓馬達(dá)、液壓油缸、液壓閥等，通過企業(yè)走訪和調(diào)研，目前液壓系統(tǒng)特種密封材料如下表3 所示。

表3 液壓系統(tǒng)主要用特種密封彈性體的材料

袁艷艷等[6]對(duì)極地環(huán)境下液壓馬達(dá)密封材料進(jìn)行了分析，考慮到密封材料需要在-50～60 ℃下仍具有足夠的壓縮變形量來保證密封可靠性，此外還需考慮材料耐油、耐氣候老化和耐磨等特性，因此該條件下選用氟硅橡膠、氫化丁腈橡膠等脆性溫度在-50 ℃以下的材料。吳用等[7]利用液壓密封測(cè)試機(jī)和針盤式往復(fù)摩擦儀模擬挖掘機(jī)油缸在各種工況下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)聚氨酯特種密封密封彈性體進(jìn)行耐磨性能分析，確定了密封性能除了油封材料外，還與油封磨損與介質(zhì)中顆粒的濃度、硬度和尺寸有關(guān)。吳文濤等[8]對(duì)傳統(tǒng)油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封中的鼓形圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，提出了泄漏問題的主要原因，并采用進(jìn)口澆注型聚氨酯(CPU) 材料制作的鼓形圈解決了滲漏問題，并在廣州寶力特液壓密封有限公司的煤碳液壓支架油缸產(chǎn)品中成功應(yīng)用。胡必超等[9]對(duì)KY 造型線液壓系統(tǒng)的密封性能進(jìn)行了研究，對(duì)國(guó)產(chǎn)傳統(tǒng)聚氨酯密封材料和美國(guó)CHESTERTON 公司專利技術(shù)材料— 聚醚型聚氨酯密封材料進(jìn)行了對(duì)比, 進(jìn)口材料很好的克服了國(guó)內(nèi)材料耐水性差的弱點(diǎn), 又同時(shí)具有較小的摩擦系數(shù), 是解決KY 線液壓密封問題的理想材料。王其君等[10]對(duì)液壓油缸中聚氨酯彈性體密封材料進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)4種不同類型軟段制備的聚氨酯彈性材料的材料物理力學(xué)性能、 摩擦磨損性能、 液壓油老化性能和密封性能各不相同，并找出最佳軟段密封材料。

2.3 燃油系統(tǒng)

工程機(jī)械領(lǐng)域動(dòng)力都是來自于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，因此其燃油系統(tǒng)的介質(zhì)是柴油和尿素，其組成部件主要有油泵、油管、燃油濾清器和燃油噴射器等。燃油噴射的瞬時(shí)壓力高達(dá)120～180 MPa，如果噴油系統(tǒng)出現(xiàn)內(nèi)部泄漏，甚至出現(xiàn)高壓油路與低壓油路相連通，將造成發(fā)動(dòng)機(jī)無法啟動(dòng)，設(shè)備將無法正常工作甚至產(chǎn)生安全事故。因此，燃油系統(tǒng)的密封性能將非常關(guān)鍵。

通過走訪制造企業(yè)和調(diào)研，目前燃油系統(tǒng)的主要特種彈性體密封材料如表4。

表4 燃油系統(tǒng)主要用特種密封彈性體的材料

莫桂娣等[11]研究了在不同體系的生物柴油和0#柴油下，O 型氟橡膠密封圈浸泡28 天后其厚度、質(zhì)量、拉斷強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)的變化率均能滿足要求，從而確定氟橡膠材料可以能長(zhǎng)期用于柴油燃油系統(tǒng)。徐建新等[12]對(duì)共軌燃油系統(tǒng)高壓油泵泄漏情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)柱塞偶件配合間隙處燃油的泄漏量是最大的，通過更改密封方式和提高密封材料的性能可以減少泄漏量。

2.4 空調(diào)系統(tǒng)

目前工程機(jī)械領(lǐng)域的空調(diào)系統(tǒng)都是借用汽車行業(yè)的空調(diào)，其中制冷劑現(xiàn)在普遍采用環(huán)保型制冷劑HFC134a，因此空調(diào)系統(tǒng)的介質(zhì)主要是水、潤(rùn)滑油和制冷劑，使用特種彈性體密封材料的主要部分包括壓縮機(jī)和管路接頭等。通過調(diào)研，各部分的特種密封材料如表5。

表5 空調(diào)系統(tǒng)主要用特種密封彈性體的材料

賀德國(guó)[13]介紹了空調(diào)管接頭的密封型式，從理論上闡述了空調(diào)管路接頭密封的原理及影響的因素，并指出現(xiàn)在普遍采用HFC134a 制冷劑，考慮到管件和密封材料運(yùn)行過程中的尺寸公差和熱脹冷縮因素的影響，國(guó)內(nèi)O 型密封圈材料一般用HNBR，其壓縮量設(shè)計(jì)為28%。王文東等[14]對(duì)新能源汽車空調(diào)渦旋式壓縮機(jī)原理進(jìn)行了闡述，其中，密封材料及技術(shù)是制約渦旋式壓縮機(jī)的瓶頸技術(shù)之一，密封采用聚四氟乙烯復(fù)合材料能夠滿足新能源汽車空調(diào)的工況，確保空調(diào)工作的可靠性。

2.5 電子電器系統(tǒng)

電子電器系統(tǒng)對(duì)設(shè)備的性能、安全性、舒適性以及可靠性等方面產(chǎn)生很大的影響，但這些部件的介質(zhì)及應(yīng)用環(huán)境相對(duì)來說比較溫和，一般的橡膠密封材料就可以滿足要求，對(duì)于特種彈性密封材料的需求較少，研究的課題也較少，通過調(diào)研電器系統(tǒng)使用的特種彈性密封材料如表6 所示。

表6 電器系統(tǒng)主要用特種密封彈性體的材料

3 存在的問題和發(fā)展方向

國(guó)內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)還處于野蠻發(fā)展時(shí)期，設(shè)備使用環(huán)境惡劣，使用頻繁，不重視保養(yǎng)，時(shí)常超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)等行為對(duì)特種彈性體橡膠材料性能要求越來越高。特種彈性體材料已在我國(guó)密封制品行業(yè)大量應(yīng)用，但是與先進(jìn)國(guó)家相比，特種彈性體的應(yīng)用還遠(yuǎn)不夠廣泛，高端產(chǎn)品的要求還不能滿足，同時(shí)成本一直降不下來，競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)，從而導(dǎo)致很多高性能和高精密度的特種彈性體密封制品還需要進(jìn)口。

針對(duì)這些問題提出如下研究思路：

（1）開發(fā)復(fù)合材料。以特種橡膠為主體，引入有機(jī)材料、無機(jī)材料或金屬材料等，來改善和提高材料的性能，如改善氟橡膠耐低溫性能，研究硬度低、低壓縮永久變形小且熱撕裂性能良好的材料。

（2）開發(fā)新型材料。如使用新型的聚四氟乙烯改性材料、聚氨酯改性材料，這些材料能夠解決傳統(tǒng)特種彈性體材料的缺點(diǎn)。

（3）再生材料的應(yīng)用。特種彈性體密封材料屬于高附加值產(chǎn)品，因此成本較高，再生材料的應(yīng)用可以降低成本，降低能耗，符合國(guó)家“ 雙碳” 戰(zhàn)略，是技術(shù)革新的一個(gè)方向。

（4）復(fù)合材料的表征。特種彈性體材料本質(zhì)上屬于復(fù)合材料，由多種組分組成，目前的表征手段與實(shí)際應(yīng)用的效果差別較大，如何來準(zhǔn)確表征材料內(nèi)部的缺陷目前還需要做大量工作。