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内腔介质压力自补偿密封技术与组合密封技术
       摘要:传统的弹性材料密封技术中采用O型圈、U型圈和Yx 型圈,不管压力高低,都需要一个刚性材料环套支撑件。从这个角度看,组合密封件实质上是将刚性材料环套支撑件异化的O型圈、U型圈和Yx 型密封圈,其密封机理和O形圈、Yx形圈等橡胶密封件密封技术基本上都一样,都不是真正的弹性材料密封技术。内腔介质压力自补偿密封装置中单件密封圈(不采用其它挡圈、环套)的耐压已达到40Mpa,远远超出一大批组合密封件的工作压力极限,解决了液压传动技术应用中的介质泄漏世界性难题,工作寿命成倍提高 成本却大幅度下降,实现了真正的弹性材料密封技术。
       液压气动密封技术的水平和规模在一定程度上代表了一个国家的机械工业水平和实力,是机械工业技术进步的一项标志性技术,广泛用于工、农、军、商等国民经济各部门,世界各国对液压气动工业的发展都给予很大重视。
       密封技术是液压气动技术中的关键技术,密封技术对于防止机电产品设备的渗漏,保证安全运行,提高工作性能和效率,节约能源,保护环境具有重大意义。随着工业现代化、自动化的发展,各项基础工业的加强,高、尖、精机电产品的发展日新月异,机电产品的使用条件日益严酷使得橡胶密封件的使用工况越来越苛刻,对密封系统带来了很大的问题,对密封件提出了更高的要求。不断研究开发新材料和密封圈的结构,对新的密封技术进行深层次的探讨研究,求得新的突破,是世界各国都在努力奋斗的事情。
国内外几百年来采用的液压气动弹性材料密封元件密封技术主要为以下两种:
       1. 要依靠传动介质压力对密封元件的张口唇口进行挤压产生径向力实现密封效果的,这类密封技术采用的密封元件为Yx形、U形圈等唇口密封圈。
       2.主要依靠橡胶密封圈弹性变形产生径向压力实现密封效果的。这类密封技术采用的密封元件为O形圈和以O形圈为弹性载体的组合密封圈。
       传统的O型圈、U型圈和Yx 型密封技术中,介质压力是从密封圈外部挤压密封圈体实现密封的。由于弹性材料的屈服率低,单件使用耐压能力低,传统的O形圈、U形圈和Yx形圈等弹性材料密封元件密封技术中弹性材料密封元件单独使用的最大工作压力为16MPa,压力大于16MPa时就得采用高级材料做成组合式密封件,不但组合密封件本身价格昂贵,对被密封的加工精度要求也是极高,大大增加了设备制造成本。传统的O型圈、U型圈和Yx 型密封技术中,弹性材料密封圈一直处于形变状态,因而密封圈容易失去弹性,密封效果衰减速度快;同时单件使用磨损大、极易发生介质泄漏,使用寿命短。
       正是在现代工业发展需要和传统密封技术的矛盾加剧情况下,内腔介质压力自补偿密封技术应运而生,弹性材料密封技术实现了重大突破。内腔介质压力自补偿密封技术中,介质压力是从密封圈内腔挤压密封圈体使其向外膨胀贴紧需密封的面而实现密封的,压力越大密封效果越好。
       一个密封技术是否高效、高性能,就要看其在满足主机密封工艺性能要求的前提下,密封技术中的密封元件是否有较长的工作寿命(理论上说:越长越好),而这主要依靠密封技术中的密封元件在工作期间是否能和被密封面始终保持良好接触来实现。由于弹性材料密封技术在工作时,其密封元件能随着介质压力的升高产生形变,从而和被密封面始终保持良好接触获得补偿性密封,基此,弹性材料密封技术较其它密封技术有很大的优势。几百年来,国内外科技界对提高弹性材料密封技术工艺性能的研究一直在进行,从未间断;研究的方向也非常明确:就是密封元件的新结构和新材料。近年来,密封元件材料方面的研究成果累累,密封元件结构方面的研究却一直局限在以O形圈、Yx形圈为基础的各种类型的组合密封框架之中,格来圈、蕾形圈等组合密封圈就是其研究成果。
       传统的弹性材料密封技术中采用O型圈、U型圈和Yx 型圈,不管压力高低,都需要一个刚性材料环套支撑件。从这个角度看,组合密封件实质上是将刚性材料环套支撑件异化的O型圈、U型圈和Yx 型密封圈。其密封机理和O形圈、Yx形圈等橡胶密封件密封技术基本上都一样,都不是真正的弹性材料密封技术。传统的O型圈、U型圈和Yx 型密封技术因刚性材料环套支撑件产生的不稳定、易卡死同样存在,一直存在着介质泄漏问题,也不能耐很高的压力,密封效果并不十分理想。而且由于将将刚性材料环套支撑件同弹性材料密封圈整合成一体,失去了弹性材料密封技术对主机密封付结合部分加工精度要求不高的优势,特别是当同时使用一个以上密封元件时,实际上是增加了刚性材料环套支撑件的数量,形成多点接触,更增加了主机的制造加工精度及装配的难度,这给原本基础工业水平不高的中国制造工业的企业带来巨大的困难。由于中国制造工业的企业至今还没有认识组合密封件密封技术的这一密封机理,不能解决组合密封件工作中出现的各种故障,所以尽管国内在重要的设备和关键的工程中采用的弹性材料密封圈及价格昂贵的组合密封件绝大多数是国外进口的,也不能生产出性能良好的采用组合密封件的主机。我国液压件制造行业技术制约着民族工业的发展,国产液压工业已成为“中国制造”的短板。
       这里我们引用CCTY2台2009-04-21播出 的《经济热点面对面-深度观察振兴规划六》:养大工业母机(基础装备)节目中三一重工股份有限公司总裁向文波先生的一段发言来证明。
       向文波:
       我说个很小很小的东西,就是现在我们这个,这里有个油缸,油缸里面那个小小的密封圈,就这个东西我们现在都是进口的,因为它的那个,我们国产的那个,它的抗老化的性能,它的密封性能不能够满足这个我们讲的主机的需要。如果说针对我们的中国的基础零部件,说已经达到了世界级水平的话,那我们可以自豪的讲,中国的装备制造业就达到了世界先进水平。
       (本次节目文字材料共19页,以上摘录的向文波先生的发言在第11页)
       内腔介质压力自补偿密封技术的研究就是冲破了这一框架,实现了真正的弹性材料密封技术,新的结构带来新的密封理论,带来了出乎意料的优良的工艺性能。
内腔介质压力自补偿密封技术创新点:
1、结构上创新突破
       传统的O型圈、U型圈和Yx 型密封技术中,介质压力是从密封圈外部挤压密封圈体实现密封的;内腔介质压力自补偿密封技术中,介质压力是从密封圈内腔挤压密封圈体实现密封的。
2、突破传统O型圈、U型圈和Yx 型橡胶密封圈密封技术的耐压极限
       传统的O形圈、U形圈和Yx形圈等弹性材料密封元件密封技术中弹性材料密封元件单独使用的最大工作压力为16MPa,压力大于16MPa时就得采用高级材料做成组合式密封件,不但组合密封件本身价格昂贵,对被密封的加工精度要求也是极高,大大增加了设备制造成本。而且这些价格昂贵的高档组合密封件绝大多数是国外进口的。
       得益于结构的创新,内腔介质压力自补偿密封装置中单件密封圈(不采用其它挡圈、环套)的耐压已达到40Mpa,远远超出传统的密封技术中弹性材料密封圈单独使用的工作压力极限,也超出了一大批聚氨酯、硅橡胶等高级材料的组合密封件的工作压力极限。由于该密封技术中的密封圈内腔的密封力来源于系统本身的介质压力,只要在密封圈内外形成一定的压差,就能实现良好的密封效果。也就是说,从理论上来说,通过变更密封装置有关技术参数,该密封技术适用于任何压力范围。
       3、解决了液压传动技术应用中的介质泄漏世界性难题
       我们在江苏省质量技术监督液压件产品质量检验站做了采用内腔介质压力自补偿型密封技术的新型液压缸的工艺性能检测。检测结果表明:介质泄漏量(0.03-0.07ml/min)远低于现行国家标准(0.26ml/min)规定值,而且在经历一万次运转后仍然基本保持不变,比国家标准(0.52ml/min)提高近7倍!
       4、工作寿命成倍提高 成本却大幅度下降 
       内腔介质压力自补偿密封技术在马鞍山钢铁公司应用了多年,几年来,我们已对10多个规格,不同工况条件的200多只油缸采用了内腔介质压力自补偿密封技术进行技术改造,都已使用在生产中,都取得了工作寿命成倍提高,耐高压、无泄漏的优良工艺性能。
例1:新型泥炮油缸:
 
封堵炼钢高炉出钢口的新型泥炮油缸 
图示为封堵炼钢高炉出钢口的新型泥炮油缸

       工艺性能为高压、高温、低速。我们用内腔介质压力自补偿密封技术密封装置替代传统密封装置,以普通丁腈橡胶内腔介质压力自补偿密封圈取代硅橡胶、氟橡胶O形、Yx形组合密封圈,前者成本仅为后者的20--30分之一,工作寿命却提高了3--4倍。
       例2:新型球磨机油缸:
新型磨煤机油缸 
图示为新型磨煤机油缸
       工艺性能为高频、中速、中高压、常温。我们用内腔介质压力自补偿密封技术密封装置替代传统密封装置,以普通丁腈橡胶内腔介质压力自补偿密封圈取代聚胺酯组合Yx形密封圈,前者成本仅为后者的20--30分之一,工作寿命却提高了3-4倍。
       5、提出了液气压传动密封技术的新的理论
       内腔介质压力自补偿密封圈的结构突破了传统的O形圈、U形圈和Yx 形密封圈的结构,新的结构提出了新的密封理论,内腔介质压力自补偿密封技术的发明适应了现代工业科技进步的要求。
       6、拥有自主知识产权 属世界首创
       现已拥有和申报了原创性系列化20多项国家专利和国际专利,内腔介质压力自补偿密封技术是我国屈指可数的原创性自主知识产权核心技术。
       7、机械工业的一项技术革命
       内腔介质压力自补偿密封技术和传统密封技术相比较:
7.1.密封形式、结构和密封理论都是新颖的;
7.2.成本下降;
7.3.工艺性能大幅度提高。
       完全符合技术革命的三项指标。内腔介质压力自补偿密封技术的发明是流体传动工业的一项技术革命。
8、简化机械设备结构 降低机械设备生产能耗和成本
       采用内腔介质压力自补偿密封技术的机械设备不仅具有密封技术耐高压、无泄漏、工作寿命长的优势,而且受益于内腔介质压力自补偿密封技术的结构创新,使得机械产品的结构得到简化、加工制造难度下降,机械产品成本进一步降低而使用寿命显著提高。
       仅举一例说明:现有的液压单体支柱,其端盖、缸套和柱塞体之间的密封长时间来采用Yx形圈、O形圈密封技术,由于密封元件与柱塞体和缸套之间的摩擦力很大,故在卸载时,只靠柱塞体的自重尚不能复位,还需设复位弹簧。
       采用内腔介质压力自补偿密封技术制造液压单体支柱,由于内腔介质压力自补偿密封技术密封圈内腔中空,在卸载行程中,密封圈体和柱塞体之间摩擦轻微,较现有的液压单体支柱大大减小,故在卸载时,靠柱体的自重就可以复位。简化了结构,进一步降低成本。新型液压单体支柱将是具有自主知识产权的中国制造液压单体支柱。
    比较内腔介质压力自补偿密封技术和传统的弹性材料Yx形圈、O形圈密封技术,优劣的结论是显而易见的。传统的弹性材料Yx形圈、O形圈密封技术中,介质压力是从密封圈外部挤压密封圈体,密封圈在预紧力和介质压力双重作用下,强行沿着被密封面运动。当介质压力升高到一定值时,密封圈体发生屈服形变,介质就会穿越而过,因此传统密封技术橡胶密封圈单件使用不能耐高压。尤其是,当被密封面状况不太良好时,传统密封技术橡胶密封圈单件使用时密封圈工作面会被撕裂,导致介质泄漏,密封失效。而内腔介质压力自补偿密封技术中介质压力是从密封圈内腔挤压密封圈体,密封元件在介质压力的挤压下,总是向外膨胀,使其密封工作面时时刻刻紧紧贴合在被密封面上。当遇到被密封面状况不太良好的情况时(如:表面加工精度不太高或是出现沙孔等),内腔介质压力自补偿方面技术的密封圈的中空结构就显出优势,它可以在不脱离和被密封面接触的前提下,自动调节密封圈体的形态,实现了在保持良好的工作状况下,保护了密封圈自身的安全,因此不仅能耐较高工作压力,而且具有较长的工作寿命。
       由于内腔介质压力自补偿密封技术中的密封圈内腔的密封力来源于系统本身的介质压力,只要在密封圈内外形成一定的压差,就能实现良好的密封效果。也就是说,从理论上来说,通过变更密封装置有关技术参数,该密封技术适用于任何压力范围,其最高耐压极限有待探讨。同时其密封元件的工作寿命较使用传统橡胶密封圈密封技术的的密封技术提高许多倍;介质泄漏量低于传统的O形圈、U形圈和Yx形圈等橡胶密封件密封技术一个数量级;其耐高温、耐冲击力性能超群,工作稳定性等各种工艺性能,都是传统的O形圈、U形圈和Yx形圈等橡胶密封件密封技术无法比拟的。内腔介质压力自补偿密封技术中是具有耐高压、无泄漏、工作寿命长等优良密封性能的新型高效密封技术。
       而且,这些优良的工艺性能的取得是在成本大幅度降低的情况下取得的,这一巨大成就得益于内腔介质压力自补偿密封圈的全新的结构,新的结构提出了新的密封理论。内腔介质压力自补偿密封技术的发明适应了现代工业科技进步的要求。
内腔介质压力自补偿密封技术和传统密封技术相比较:
1.密封形式、结构和密封理论都是新颖的;
2.成本下降;
3.工艺性能大幅度提高。
       完全符合技术革命的三项指标,内腔介质压力自补偿密封技术的发明是流体传动工业的一项技术革命。
       内腔介质压力自补偿密封装置中单件密封圈(不采用其它挡圈、环套)的耐压已达到40Mpa,远远超出一大批组合密封件的工作压力极限,解决了液压传动技术应用中的介质泄漏世界性难题,工作寿命成倍提高成本却大幅度下降,实现了真正的弹性材料密封技术。内腔介质压力自补偿密封技术是世界首创的专利技术,我们拥有该技术原创系列化20多项国家专利和国际专利,内腔介质压力自补偿密封技术2009年获得了第三届北京发明创新大赛金奖项。内腔介质压力自补偿密封技术将取代沿用了300多年的O形圈、Yx形圈和U形橡胶密封圈传统密封技术成为主流密封技术,这是我国对世界密封技术的贡献。
       《内腔介质压力自补偿密封技术》的发明标志着我国在液压气动密封技术领域走在了世界的前列,本技术是打造中国品牌的一项自主创新核心技术,将使大到万吨液压机,小至家用浇花喷水壶等一大批相关机械设备的更新换代,打破了我国机械制造业没有原创性自主知识产权核心技术的局面,成为真正意义上的中国制造。该技术的推广应用将提高我国重大技术装备质量与水平,将淘汰一批现有的液压设备。不但替代进口产品,并可向国外出口,创造巨大的经济效益,提高我国的科技实力和国家竞争力。
      参考文献:
       1.“H型密度装置”和“往复自换向密封活塞装置”简析周承惠等  《液压和气动密封》2003年第2期
       2.“密封技术的突破”   周承惠 《现代制造》2002年第16期
       3.《内腔介质压力自补偿密封技术》周承惠 《中国科技发展论坛》2004年卷  中国科学院文献情报中心

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