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金属碟簧密封的失效及对策

发布者:厦门力常弹簧有限公司  发布时间:2019-07-31 21:12
 通过分析金属密封件密封界面的工作特点, 揭示了金属密封性能的不稳定性。阐述了球体加工、材料、密封界面的润滑性对金属碟簧密封件密封性能的影响, 提出了改善金属密封性能的建议。
  【关键词】金属材料,密封件,密封性能,球体,机械加工
  O形圈、油封等一类橡胶密封件不适宜设备高速、高压、高温的工作部位。选用特种金属材料制做的密封件统称为金属密封。
  从密封形式上讲大体有球体结构(图1)与旋转体结构两类(图2), 但设计理念大致相近。
图1 球体结构密封

图2 旋转体结构密封
  金属密封有耐磨、耐温、塑性小的优点, 但失效快、寿命短、性能不稳定却是较普遍的现象。探索、追究其原因是十分必要的。
  1 金属密封件密封界面的工作特性
  以球体结构的设计理念而言, 普遍认为该结构密封界面大、可靠性高, 动环旋转出现摆动不会改变密封界面的状态。所以95%以上的金属密封均采用球体结构形式。摈弃旋转体结构的理由很简单,抗御旋转轴摆动的性能不如球体结构。但从工作状态上看两者并无差异, 球体仍做旋转体运动。由于轴向的半径不等, 大小端的线速度便有较大的值差,界面上大端的磨损会快于小端, 这样原始的密封界面会逐渐减小, 最终在小端形成一条线状的密封环,在持续地磨损中这条线状的密封环会逐渐地向大端移动而不断往复。所以金属密封的界面只是线接触, 面接触之说只是理想。而且只有在磨损十分均匀的前提下, 密封环呈圈闭状态方能起到密封的作用。但实际过程中这种圈闭状态时时遭破坏, 这是由于设备的震动以及介质流经金属密封时引起动环旋转轴摆 动而造成不均匀磨损的。此时金属密封便会现出失效及泄漏的现象。由于有密封环在界面上不断移动的特性, 失效现象会自然消失。这就是金属密封特有的失效间歇性, 也称之为性能不稳定。
  2 球体加工
  碟形弹簧球体加工的形位误差是失效的主要原因。内外球体的加工, 尺寸及形位公差(不园度、曲线度)是很难控制的, 内球体半径与外球体半径的设计尺寸只有千分之几毫米的公差才能较好地接触。苏州约翰逊密封技术有限公司(美国)生产的球体密封件,使用前内外球体仅有5% ~ 10%的接触;山东的金属密封制品产能全国第一, 仅枣庄地区就占了全国该类制品份额的80%, 他们的球体加工50%是端口接触(图3)。所以球体密封理论上的几大优点, 在实际上根本无法体现。设计一种产品的基础除首先考虑性能效果外, 还应顾及制造工艺与成本两个层面, 如将球体结构改成旋转体结构, 其效率会高许多。旋转体的工作特性与球体完全一样, 只是密封界面为锥形, 制造过程较球形要简便得多、能最大限度地满足尺寸要求, 可靠性、经济性均优于球体结构制品。
图3 球体半径误差造成边口接触现象
  3 材料
  金属密封的选材, 传统上多为硬质合金、高速钢、轴承钢等。这类材料热处理后的变形给后期制造带来的困难相当棘手, 不得已的情况下往往是降低设计标准, 使产品性能得不到保证。近期, 北大、清华等几所院校的基础材料研究所推出了“碳化钨渗透工艺”成果, 该工艺对金属材料表层的碳化钨渗透可至6mm左右, 硬度可达HRC65 ~ 70,表面粗糙度可比值为0.8。这些技术标准足已满足金属密封对材料的要求, 采用该项工艺可利用普通钢材成形,具简便、价廉的优点。最大的好处是避开了热处理这一环, 较大幅度地减少了加工过程中出现的形位误差。
  4 密封界面润滑可靠性
  金属密封有两种不同的润滑方式:外注润滑剂与流通介质润滑。润滑的可靠性至关重要, 密封界面瞬间的干磨擦都会引起金属密封永久性失败。牙轮钻头采用外注润滑剂形式, 由于储油囊的容量一定, 在工作时间长短不同或因各种外部条件干涉造成润滑剂流失的量及速度不等的情况下, 很难保证润滑的可靠性。利用流通介质润滑可靠而且可行,流通介质一般为气态或者液态, 由于流动介质负有一定压力, 对间隙极小的密封界面来说, 呈现了极好的渗透性。实践证实, 气态的介质效果更优于液态介质, 这是因为气态物质的流动性最高。油气分离器便是利用流通的原油润滑、离心机构在高速旋转中将天然气分离出来, 天然气中所含的细小粒子对离心机构起到很好的润滑。造纸机械, 金属轧板机械大多利用流通介质润滑, 介质中有水、苛性溶液,但对金属密封的影响甚微, 金属密封的材质均有一定的抗腐能力。当然必要的过滤设置绝不可少, 但多简便、有效。