压力机的密封

胡明杰

（扬州捷迈锻压机械有限公司，江苏扬州225127）

压力机的密封

胡明杰

（扬州捷迈锻压机械有限公司，江苏扬州225127）

详细介绍了压力机密封的原理，密封的泄漏机理，密封的分类、应用、要求、选择以及安装，并结合压力机的特点叙述了各种密封件在压力机中的应用及其注意事项。

机械制造；密封；压力机

1 前言

锻压生产工艺具有生产率高、材料利用率高、可改善工件内部组织及提高机械性能等优点，因而广泛应用于国民经济各行各业。作为实现锻压生产工艺的锻压设备，其在装备制造业中占有举足轻重的地位，已成为衡量一个国家装备制造业实力的重要标志之一。

锻压设备涉及面广，种类繁多，工艺用途和结构特点各有千秋。按驱动原理和工艺特点的不同，锻压设备主要分为机械压力机和液压机两大类。机械压力机系采用电机驱动和机械传动，通过曲柄连杆机构或其他机构将电机的旋转运动转换为滑块的上下往复运动；液压机则采用液压传动，将电能转变为液体的压力能，通过液压缸驱动滑块上下往复运动。

密封件是机械设备的基础性元件之一，几乎应用于所有的机械装备。对压力机而言，为了保证其在运行过程中的效率和可靠性，使用了大量密封技术，主要表现在以下3个方面：

1.1 工作介质密封

液压机是根据静态下液体压力等值传递的帕斯卡原理制成的设备，使用液体（液压油、机械油或乳化剂）作为工作介质。因此必须保证具有极其良好的密封性（即密闭的工作腔），阻止工作介质越界泄漏，避免液压机丧失工作性能或酿成安全事故。所以液压机对密封件的密封性能要求非常高，其密封性能优劣对液压机的功能和使用寿命等具有决定性的影响。

1.2 润滑介质密封

压力机在运行过程中，由于摩擦因数的存在，会直接导致运动零部件表面形状和尺寸遭到缓慢而连续的破坏，使压力机的效率和可靠性逐渐降低。因此，需要对各摩擦副进行润滑，同时对润滑介质工作腔进行密封，以防压力机工作性能下降和设备污染。

1.3 防尘密封

防止灰尘、污物、沙粒及金属碎屑进入压力机内部，保护导向零件。

2 密封的分类及应用

密封是通过自身弹力、工作介质压力、补偿机构弹力或外来附加力等作用下将接合面间隙封住，防止工作、润滑介质从相邻接合面间越界流出造成泄漏以及外界尘埃或异物等侵入设备内部。

根据密封偶合面在机械设备运转过程中有无相对运动，密封通常分为相对静止接合面间的静密封和相对运动接合面间的动密封两大类。

2.1 静密封

静密封是依靠封闭静止接合面间的间隙实现密封。静密封主要分为垫密封、密封胶密封和直接接触密封三大类。在压力机中主要使用O形密封圈密封和垫片密封。

2.1.1 O形密封圈密封

O形密封圈简称O形圈，是一种截面为圆形的橡胶密封圈。一般采用丁腈橡胶、天然橡胶、氯丁橡胶、乙丙橡胶、氟橡胶、硅橡胶以及共混胶制造而成。

O形圈装入密封槽内，其截面一般受到15%～30%的压缩变形（作静密封时的压缩率在15%～25%，作往复密封时的压缩率在10%～20%，作旋转密封时的压缩率在7%～10%），在工作、润滑介质的作用下，移至沟槽的一侧，封闭接合面的间隙，从而达到密封的作用。O形圈按密封方式分为径向密封（平面密封）和轴向密封（圆柱密封），见图1、2。

O形圈具有良好的密封性能，动、静密封均可使用，是液压、气动系统里使用最为广泛的一种密封件。O形圈不仅可以单独使用，而且是许多组合式密封的基本组成部分，适用范围非常广，在压力机中主要用于液压油缸、气缸的活塞和缸口导套（缸盖），油气管路接头和法兰以及液压元件等处的密封。具有密封性能好、结构紧凑、装拆方便、使用寿命长等特点。

图1 O形密封圈径向密封

图2 O形密封圈轴向密封

2.1.2 垫片密封

在两连接件密封面之间垫上不同材质的密封垫片，如非金属垫片、金属与非金属复合垫片或金属垫片，然后将螺纹或螺钉拧紧，拧紧力使密封垫片产生弹性或塑性变形，填塞密封面的不平处，从而达到密封的作用。在压力机中法兰连接垫片密封和螺纹连接垫片密封应用比较广泛，主要用于油气管道接头、法兰等处的密封，具有结构简单、密封效果直接、成本低廉等特点。

2.1.2.1 法兰连接垫片密封（图3、4）

在压力机中主要用于低压、中大通径管道及容器的密封，密封压力机的低压工作介质和润滑介质，如液压油、润滑油和压缩空气等，密封垫片一般采用耐油橡胶板。

图3 管道法兰连接垫片密封

图4 液压站人孔盖板连接垫片密封

2.1.2.2 螺纹连接垫片密封（图5）

在压力机中主要用于高压、中小通径管道接头的密封，密封压力机的高压工作介质，密封垫片一般采用组合密封垫圈和紫铜垫。

图5 螺纹连接垫片密封

2.2 动密封

动密封是依靠封闭运动接合面间的间隙实现密封。动密封根据密封偶合面运动方式的不同，分为旋转密封和往复密封两种。按密封件与密封偶合面是否接触，分为接触式密封和非接触式密封。一般说来，接触式密封的密封性能好，但受摩擦、磨损的限制，适用于密封面线速度较低的场合。非接触式密封的密封性能较差，适用于速度较高的场合。

2.2.1 旋转密封

旋转密封是通过自身或补偿机构弹力等保持密封件和其作旋转运动的偶合面贴合，从而达到密封的作用。在压力机中油封使用较为广泛，主要用于液压泵、液压马达、传动轴及飞轮等处的密封；毛毡圈和O形圈也有少量应用，仅限于低速旋转的密封场合，用于密封润滑油、润滑脂、粘度大的液体及防尘作用。

2.2.1.1 油封（图6）

油封又叫旋转轴唇形密封件，由德国Freudenberg公司Simmer博士于1929年发明，英文名为Simmerring。油封是装在旋转轴和静止件或静止轴和旋转件之间，用于密封润滑油、脂和防止外界尘土、杂质等侵入机械设备内部。

油封的密封原理：在自由状态下，油封的内径小于轴径，即有一定的过盈量。油封安装到轴上后，其唇缘的压力和自紧弹簧的收缩力对轴产生一定的径向抱紧力，克服轴（旋转件）在高速旋转状态下，因振摆、跳动而造成的间隙，使油封的唇缘始终紧贴于轴的表面，达到密封的作用。

油封的特点：结构简单；安装腔体的位置紧凑，轴向尺寸小，加工方便；密封性能好,使用寿命较长；对机床的振动和主轴的偏心都有一定的适应性；安装方便、拆卸容易。

2.2.2 往复密封

图6 油封

往复密封是通过外力如工作、润滑介质压力或密封件自身弹力保持密封件和其作往复运动的偶合面贴合，从而达到密封的作用。在压力机中毛毡圈、唇形密封圈、组合式密封圈应用较为广泛，主要用于立柱（导柱）、液压油缸、气缸及液压元件等处密封。O形圈也有少量应用，但由于设备长时间闲置时，再次启动时摩擦阻力会因O形圈与密封偶合面的粘附而陡增，出现蠕动现象。所以其使用速度一般控制在0.005～0.3m/s以内，因此，O形圈仅限于低速往复密封场合。

2.2.2.1 毛毡圈密封（图7）

主要用于运动速度较低、密封要求不高的场合，如液压机立柱及其他导向柱的密封，用以密封润滑油、脂和防尘作用。

毛毡圈密封的特点：结构简单，制作容易；适用于密封要求不高，运动速度较低的场合；安装简单、拆卸方便；价格低廉。

2.2.2.2 唇形密封

唇形密封的密封原理：唇形密封圈的唇缘和其作相对运动的偶合面呈线状接触，依靠密封件唇缘与密封偶合面之间的过盈量和工作介质的压力使密封件产生弹性变形，当密封副偶合件以一定的运动速度作相对运动时，由于密封唇和滑移偶合面间建立了密封油膜，从而达到了密封的作用。在压力机中Y形密封圈、V形密封圈、防尘密封圈等应用较为广泛，主要用于液压油缸、气缸的活塞与缸筒之间密封；活塞杆（柱塞杆）和缸口导套（缸盖）之间的密封。

2.2.2.2.1 Y形密封圈

Y形密封圈的截面呈Y形，按其截面的高、宽比例不同，主要分为宽型、窄型及Yx型密封圈。

Yx型密封圈高度与宽度比大于2，并且基于对使用稳定性的要求，Yx型密封圈的工作唇短于非工作唇，由此分为孔用Yx型密封圈和轴用Yx型密封圈（图8）。在压力机中Yx型密封圈主要用于高压、高速、大缸径、大行程的液压油缸或气缸。

Y形密封圈的特点：密封性能可靠；耐磨性能好；摩擦阻力小，运动平稳；耐冲击，抗挤出，压缩变形小；适应于苛刻的工作条件及环境；可供选择性好；使用寿命长。

2.2.2.2.2 V形密封圈（图9）

图7 毛毡圈密封

V形密封圈的截面呈V形，V形密封圈须配合支承环和压环使用。根据V形密封圈的使用材料不同分为纯橡胶V形密封圈、夹织物（夹布橡胶）V形密封圈及塑料V形密封圈。由于V形密封圈的结构复杂，摩擦阻力较大，所以在压力机中V形密封圈主要用于运动速度较低、工作压力较高的液压油缸。

V形密封圈的特点：由于接触区域长且有数个密封唇口，所以具有很好的密封性能；由于成形的稳定性，对高压峰值不敏感；与单件密封相比，对工作介质的污染或滑动面的轻微损伤不敏感；可根据工作压力的大小来确定所用密封圈的数目；对于不同的工作介质和使用温度范围，可以通过选择不同材质的圈进行组合；可以通过调整压紧力来获得最佳的密封效果；可以通过调整缸口压盖（法兰）间隙补偿密封圈的磨损；拆卸方便。2.2.2.2.3 防尘密封圈（图9）

所有的液压油缸都应设有防尘密封圈，防尘密封圈设置于活塞杆（柱塞杆）主密封圈的外侧，液压油缸回程时，刮掉活塞杆（柱塞杆）上的灰尘、污物、沙粒及金属碎屑等，防止其进入液压油缸内部，保护活塞杆（柱塞杆）的导向面，同时防止主密封圈和导向套损伤。双作用防尘密封圈兼有辅助密封功能，面向工作介质的唇缘刮掉剩余油膜，从而起到了辅助密封作用。另外防尘密封圈也用于导向圆柱面的刮尘作用，如液压机立柱和导柱等。

2.2.2.3 组合式密封

组合式密封是通过将不同材料、不同功能的密封件组合为一体，得到结构紧凑、低摩擦、轻型、高效、长寿命的密封组件。在压力机中格来圈、斯特封应用较为广泛，主要用于高压、高速液压油缸。

2.2.2.3.1 格来圈（图10）

格来圈是由橡胶质O形圈与低摩擦聚四氟乙烯（PTFE）质的方形密封环组合而成。根据密封偶合面的不同，格来圈分为孔用格来圈和轴用格来圈，但它们的密封机理相同：O形圈提供密封预紧力，配对的密封环和密封偶合面贴合，从而达到密封的作用。

格来圈的特点：结构紧凑，安装尺寸小；使用压力范围较广，寿命长；极小的启动和运动摩擦力，甚至在低速下也可保证平稳运动，无爬行现象，运动平稳性好；密封性能好；耐磨损、耐高温、抗挤压；由于密封环具有较高的耐化学介质腐蚀特征，并且可以选择不同材料的O形圈，几乎应用于所有工作介质；由于特殊形状的密封结构，具有良好的油膜回油特性。

2.2.2.3.2 斯特封（图11）

斯特封结构与格来圈相似，由橡胶质O形圈与低摩擦聚四氟乙烯（PTFE）质的特殊形状的密封环组合而成，斯特封与格来圈一样分为孔用斯特封和轴用斯特封，其密封机理与格来圈一样，但斯特封只具有单向密封作用。

3 密封的要求

密封性能反映了对泄漏的控制水平，密封处的泄漏量是衡量密封性能的重要指标。对压力机而言，密封的基本要求是密封性能好，安全可靠，寿命长，结构紧凑，制造维修方便，成本低廉。大多数密封件都是易损件，应保证其互换性，实现标准化、系列化。

对密封的基本要求如下：①密封性能；②摩擦性能；③耐压性能；④寿命；⑤安装性能；⑥经济性。

上述密封性能、摩擦性能、耐压性能是独立的性能，这三项性能的组合就得到了密封件的综合性能；综合性能的保持时间，就是密封件的寿命；实际设计中安装性能与经济性也是一项重要指标。

密封的综合性能不仅与密封件本身的性能有关，而且还与密封件的多项使用条件有关，所以考察密封性能，既要看密封件本身的性能，称为单体性能，还要看密封件装入液压、气动装置等后的实际密封性能，称为实际密封性能。

4 密封件材料的要求

对液压油缸、气缸及液压系统来说，密封件的优劣对于其功能和使用寿命等具有决定性的影响。这就要求密封件能均匀作用在密封区域、耐磨损、抗间隙挤出、良好的介质相容性、耐高低温、摩擦小、结构紧凑并且安装方便。

对密封件材料的具体要求如下：①材料致密性好，不易泄漏工作、润滑介质；②具有一定的力学性能，在工作条件波动时仍能保持密封性能；③压缩性和回弹性好，压缩永久性变形小，具有与密封面贴全的柔软性；④耐氧化性和耐老化性好，经久耐用；⑤耐高温和低温，高温下不软化、不溶胀、不分解，低温下不硬化、不脆裂；⑥抗腐蚀性能好，在酸、碱、油等介质中能长期工作，且不粘附在金属表面；⑦抗震性能好，对轴的振动、偏摆以及轴对密封的偏斜不敏感；⑧具有较小的摩擦系数和良好的自润滑性，耐磨性好；⑨结构简单，加工制造方便；⑩装拆容易，价格低廉。

5 密封泄漏的原因

流体状的工作介质，在密闭系统的容腔内流动或暂存，由于受压力、间隙、粘度等因素的影响，从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”现象称作泄漏。泄漏的动力有三种：一是压力差，二是浓度差（扩散），三是表面张力（渗透）。

造成密封泄漏的原因包括物理失效和化学失效。

5.1 物理失效

①安装方向错误或装配不良使密封圈永久变形导致泄漏；②安装过程中由于安装面的毛刺、沟槽、划痕、锋利切口等导致密封圈损坏；③安装、运行过程中夹入颗粒等杂质导致密封圈损坏；④密封件安装沟槽、偶合面的粗糙度、几何精度达不到要求导致密封圈损坏；⑤滑动面间隙不合适，致使密封件的局部被挤入到间隙内而磨损，导致密封圈损坏；⑥运行过程中由于润滑不足，致使干摩擦导致密封圈损坏；⑦安装轴挠度过大，造成密封圈与旋转轴之间受力不均匀，无法形成油膜，丧失密封作用导致泄漏；⑧运行速度过高，油膜增厚，产生泄漏。

5.2 化学失效

①密封材质与工作、润滑介质不匹配造成密封件溶解、硬化、破裂；②油温过高或摩擦发热严重造成密封圈氧化变质；③低温导致材料硬化、脆裂；④密封件烧焦、炭化。

6 密封的选择

合理选择密封对保证压力机的效率、可靠性和使用寿命有着非常重要的作用。

①根据工作介质和工作温度，选择材料合适的密封件；②根据压力机的工况和密封副偶合件相对滑移面的运动速度，选择合适的密封件结构及组合匹配形式；③根据工作介质压力高低，考虑密封件的结构参数，选择合适的滑移面间隙尺寸；④根据密封副偶合件的运动跳动量，选择合适的胶料硬度，以增强随动性、跟随性；⑤根据压力机工况，选择合理的偶合面粗糙度、几何精度及密封件安装腔体的结构型式、尺寸和位置精度。

7 密封的安装

密封的正确安装是保证密封发挥其密封效果的重要环节，因此在密封件安装过程中需要注意以下几点：

①装配前密封沟槽、密封偶合面必须进行清洗；②安装过程应始终保持密封件清洁，表面无杂质、灰尘，不允许用不清洁的布擦拭密封件表面；③安装前可在动、静密封件的摩擦面涂以少量油（脂），以防密封件在运转时导致密封面损坏；④对于入口受限制的密封件，安装时须使用专用工具，不允许用铁质工具或其它硬物敲击密封件；⑤对于单向作用的密封件，须注意其作用方向。

8 结束语

泄漏是压力机运行过程中常见的问题，目前彻底解决泄漏问题还不现实，在合理选择密封件及组合形式的同时，加强密封件装配时的质量控制，加强压力机运行过程中的巡视、维护和保养等，对延长密封件和压力机的使用寿命具有非常重要的意义。

泄漏和密封是一对矛盾，在人类征服自然的过程中，泄漏问题推动了密封技术的发展。密封无泄漏是压力机的永远追求，随着科学技术的进步和发展，压力机正向大型化、快速化（高速化）、自动化和专业化方向发展，要求更高综合性能的密封件与之匹配，这必将进一步推动和促进密封技术的发展。

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Sealing of press machine

HU Mingjie
（Yangzhou JFMMRI Metalforming Machinery Co.,Ltd.,Yangzhou 225127,Jiangsu china）

The sealing&leaking principle,classification,application,and the demands of the press machine have been introduced in details in the text,as well as its selection&installation.By combination with the features of press,the application of all sorts of sealing into the press has been described,and the matters which should be paid attention to have been put forward.

Seal;Press machine

TH136

B

1672－0121（2012）02－0045－05

2011-11-17

胡明杰（1977-），男，工程师，研发部部长，从事锻压机械设计研发