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油封（骨架油封、磁力油封、迷宮油封、軸承隔離器）介紹
2023-07-12油封的作用一般就是將傳動(dòng)部件中需要潤(rùn)滑的部件與外部環(huán)境隔離，不至于讓潤(rùn)滑油滲漏。骨架油封是油封的典型代表，一般說(shuō)的油封即指的是骨架油封。此外還有磁力油封、迷宮油封、軸承隔離器等。
一、骨架油封
1.1骨架油封分類及結(jié)構(gòu)
骨架油封是油封的典型代表，一般說(shuō)的油封即指的是骨架油封。骨架就如同混凝土構(gòu)件里面的鋼筋，起到加強(qiáng)的作用，并使油封能保持形狀及張力。按結(jié)構(gòu)形式可分單唇骨架油封和雙唇骨架油封。雙唇骨架油封的副唇起防塵作用，防止外界的灰塵，雜質(zhì)等進(jìn)入機(jī)器內(nèi)部。按骨架型式可分為內(nèi)包骨架油封，外露骨架油封和裝配式油封。
骨架油封結(jié)構(gòu)有三部分組成：油封體、加強(qiáng)骨架和自緊螺旋彈簧。密封體按照不同部位又分為底部、腰部、刃口和密封唇等。通常，在自由狀態(tài)下的骨架油封，其內(nèi)徑比軸徑小，即具有一定的“過(guò)盈量”。
圖1 骨架油封
因此，當(dāng)油封裝入油封座和軸上之后，油封刃口的壓力和自緊螺旋彈簧的收縮力對(duì)軸產(chǎn)生一定的徑向緊力，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行后，該壓力會(huì)迅速減小乃至消失，因而，加上彈簧可以隨時(shí)補(bǔ)償油封自緊力。
1.2骨架油封密封原理
密封原理：由于在油封與軸之間存在著油封刃口控制的油膜，此油膜具有流體潤(rùn)滑特性。在液體表面張力的作用下，油膜的剛度恰好使油膜與空氣接觸端形成一個(gè)新月面，防止了工作介質(zhì)的泄漏，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸的密封。油封的密封能力，取決于密封面油膜的厚度，厚度過(guò)大，油封泄漏；厚度過(guò)小，可能發(fā)生干摩擦，引起油封和軸磨損；密封唇與軸之間沒(méi)有油膜，則易引起發(fā)熱、磨損。
因此，在安裝時(shí)，必須在密封圈上涂些油，同時(shí)保證骨架油封與軸心線垂直，若不垂直，油封的密封唇會(huì)把潤(rùn)滑油從軸上排干，也會(huì)導(dǎo)致密封唇的過(guò)度磨損。在運(yùn)轉(zhuǎn)中，殼體內(nèi)的潤(rùn)滑劑微微滲出一點(diǎn)，以達(dá)到在密封面處形成油膜的狀態(tài)理想。
1.3骨架油封密封作用
骨架油封的作用一般就是將傳動(dòng)部件中需要潤(rùn)滑的部件與出力部件隔離，不至于讓潤(rùn)滑油滲漏，通常用于旋轉(zhuǎn)軸，是一種旋轉(zhuǎn)軸唇密封。骨架就如同混凝土構(gòu)件里面的鋼筋，起到加強(qiáng)的作用，并使油封能保持形狀及張力。骨架油封是采用優(yōu)質(zhì)丁腈橡膠和鋼板制作而成，質(zhì)量穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)。廣泛用于曲軸箱，變速箱、軸承箱等部位。
合理使用油封，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
(1)軸的轉(zhuǎn)速由于設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)上的原因，高轉(zhuǎn)速的軸應(yīng)使用高速油封，低轉(zhuǎn)速的軸使用低速油封，不能將低速油封用于高速軸上，反之也不行。
(2)環(huán)境溫度在使用溫度較高的情況下，應(yīng)選用聚丙烯酯或硅、氟、硅氟橡膠。并應(yīng)設(shè)法降低油箱中的油溫。在使用溫度過(guò)低的情況下，應(yīng)選用耐寒橡膠。
(3)壓力一般的油封承受壓力能力差，壓力過(guò)大時(shí)油封會(huì)變形。在壓力過(guò)大的使用條件下應(yīng)采用耐壓支承圈或加強(qiáng)的耐壓油封。
(4)安裝上的偏心程度油封和軸配合時(shí)偏心過(guò)大，則其密封性會(huì)變差，特別是在軸轉(zhuǎn)速高時(shí)尤為嚴(yán)重。如果偏心過(guò)大時(shí)，可采用“W”形斷面的油封。
(5)軸的表面光潔度，直接影響油封的使用壽命，即軸的光潔度高，油封使用壽命就會(huì)長(zhǎng)。
(6)注意在油封的唇口應(yīng)有一定量的潤(rùn)滑油。
(7)要特別注意防止塵土浸入油封。
二、磁力油封
2.1磁力油封介紹
磁力油封是由靜環(huán)和動(dòng)環(huán)兩部分組合合成，運(yùn)用磁力技術(shù)，采用機(jī)封理念，全浮動(dòng)密封面結(jié)構(gòu)。
圖2 磁力油封
油封是用來(lái)封油的機(jī)械元件，它將傳動(dòng)部件中需要潤(rùn)滑的部件與出力部件隔離，不至于讓潤(rùn)滑油滲漏。靜密封和動(dòng)密封用密封件叫密封件。
磁力油封是經(jīng)過(guò)多年的研究與實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)出來(lái)的一款產(chǎn)品，創(chuàng)造性的使用了模塊化磁力補(bǔ)償系統(tǒng)與新材料密封技術(shù)，簡(jiǎn)便的安裝即可解決工業(yè)史上一直難以根除的問(wèn)題。既響應(yīng)了產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級(jí)要綠色環(huán)保的國(guó)家政策，又符合工廠企業(yè)的6S管理要求。
傳統(tǒng)唇封產(chǎn)品在應(yīng)用中必然與軸面發(fā)生摩擦，在應(yīng)用中極易失效。無(wú)法有效地阻止軸承腔不受污染，工作壽命一般很短且難以控制。當(dāng)唇封泄漏時(shí)，潤(rùn)滑油的流失將給軸承及設(shè)備帶來(lái)災(zāi)難性的后果。周免的嚴(yán)重磨損所引起的設(shè)備損傷，必然會(huì)增加修復(fù)成本。
磁力油封在設(shè)計(jì)中運(yùn)用磁力技術(shù)，采用機(jī)封理念，全浮動(dòng)密封面結(jié)構(gòu)。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，動(dòng)力消耗少。動(dòng)靜環(huán)消耗少。動(dòng)靜環(huán)結(jié)合面始終保持緊密接觸，即使在較大的軸跳動(dòng)下，亦可實(shí)現(xiàn)有效密封。磁力密封替代骨架油封，是轉(zhuǎn)軸密封技術(shù)發(fā)展的必然方向。
2.2磁力油封功能配置
磁力油封由靜環(huán)和動(dòng)環(huán)兩部分組合而成：
靜環(huán)，是用遇熱穩(wěn)定且耐磨的“316不銹鋼”制成，通過(guò)O型圈固定于腔內(nèi)，動(dòng)密封面光滑耐磨。
動(dòng)環(huán)，內(nèi)含磁性元件，動(dòng)密封面是散熱性與耐磨性極佳的含碳復(fù)合材料制成，并且采用浮動(dòng)式設(shè)計(jì)?？砷L(zhǎng)期在靜環(huán)的吸引下保持貼合，為達(dá)到與靜環(huán)長(zhǎng)期吸合在一起，磁力油封的磁性元件采用在高溫環(huán)境下都不會(huì)消磁的永磁材料。而且為了滿足浮動(dòng)式設(shè)計(jì)的要求，動(dòng)環(huán)采用O型圈固定在軸上。
磁力油封在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到長(zhǎng)壽命使用，故采用特殊材料，使其在惡劣環(huán)境下及反復(fù)變化時(shí)可保持耐用。磁力油封可在干態(tài)下或存在潤(rùn)滑的工況下工作，亦適用于水侵蝕的情況下?？捎迷诹⑹?、臥式、低速、高速、干摩擦或潤(rùn)滑狀態(tài)下的減速機(jī)、齒輪箱、風(fēng)機(jī)、泵和電機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備。
2.3磁力油封特點(diǎn)
（1）磁力補(bǔ)償密封設(shè)計(jì)，適用于潤(rùn)滑或干摩擦工況，真正做到零泄漏。
（2）磁力油封對(duì)軸的表面硬度沒(méi)有要求，并且不會(huì)磨損軸。
（3）磁力油封的線速度可達(dá)50 m/s。
（4）磁力油封的壽命比傳統(tǒng)油封的壽命長(zhǎng)，可達(dá)28000h。
三、迷宮油封
迷宮密封屬于非接觸式動(dòng)密封。是通過(guò)在旋轉(zhuǎn)件、固定件之間形成多個(gè)密封槽，產(chǎn)生阻力，阻止液體（氣體）的泄漏（如圖3所示）。
由于迷宮密封為非接觸式，旋轉(zhuǎn)件與固定件間有一定的間隙，因此不存在磨損破壞情況。但是迷宮密封對(duì)旋轉(zhuǎn)件與固定件的同軸度要求很高，如果兩個(gè)件不同心，很容易產(chǎn)生摩擦，使零件燒損。而且，迷宮密封件的加工難度相對(duì)要高一些。
迷宮密封一般應(yīng)用在無(wú)壓稀油潤(rùn)滑的臥式渣漿泵上。圖4為某泵廠的迷宮密封結(jié)構(gòu)圖。這種設(shè)計(jì)將圖3中的三種迷宮密封結(jié)構(gòu)融和了起來(lái)，既保證了密封效果，又使加工和裝配更加方便快捷；同時(shí)還對(duì)軸承起到了保護(hù)作用，防止外部的灰塵和水進(jìn)到軸承及箱體內(nèi)。實(shí)踐證明，這種迷宮密封設(shè)計(jì)使用效果相當(dāng)好。但是，這種設(shè)計(jì)有一個(gè)要求就是：潤(rùn)滑油的油位不能高于密封槽的位置，否則潤(rùn)滑油會(huì)自動(dòng)泄漏。這又限制了這種迷宮密封的應(yīng)用范圍。如果油位較高或是其他的潤(rùn)滑方式也使用迷宮密封，那就需要配一個(gè)停車密封。而這個(gè)停車密封又是類似油封的橡膠密封，一旦損壞，整個(gè)密封結(jié)構(gòu)乃至整臺(tái)設(shè)備就需要停車檢修。
四、軸承隔離器
軸承隔離器是在復(fù)合迷宮密封的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種非接觸、無(wú)磨損的永久性軸承保護(hù)裝置。一般分為迷宮式軸承隔離器和磁力式軸承隔離器。迷宮式軸承隔離包含一個(gè)動(dòng)環(huán)和一個(gè)靜環(huán)，動(dòng)靜環(huán)結(jié)合成一體，因此，在運(yùn)行中兩者不會(huì)分離。一般來(lái)講，動(dòng)環(huán)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，靜環(huán)安裝部分被壓裝進(jìn)軸承箱端蓋。動(dòng)靜環(huán)協(xié)同作用，阻止外界污染物進(jìn)入軸承箱，并防止?jié)櫥橘|(zhì)泄漏。高品質(zhì)的軸承隔離器由金屬材料精加工而成，通常為黃銅，并且配有阻擋外界水蒸氣自由進(jìn)出的蒸汽阻擋環(huán)，防止設(shè)備停機(jī)時(shí)由于軸承箱內(nèi)部空氣冷卻，外界水蒸氣被倒吸入軸承箱，從而降低潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑性能。軸承隔離器的密封性能不會(huì)隨著時(shí)間的推移而降低，這使得它可以為旋轉(zhuǎn)設(shè)備提供持久的軸承保護(hù)。
圖5 軸承隔離器
軸承隔離器的優(yōu)點(diǎn)
在軸承隔離器發(fā)明以前，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的軸承的保護(hù)屏障主要采用骨架油封或迷宮密封等唇形密封或端面密封。以橡膠的骨架油封為例，其的使用壽命僅為 3000 小時(shí)，卻被用來(lái)保護(hù)設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá) 50000 小時(shí)（約 6 年）的滾動(dòng)軸承。隨著骨架油封密封性能弱化，它開(kāi)始劃傷軸的表面，或者密封唇口發(fā)生老化，使密封性能快速喪失。而且因?yàn)楣羌苡头饽p導(dǎo)致的軸損壞，成本高昂，此外，由于潤(rùn)滑劑的泄漏和污染物的侵入，影響軸承的使用壽命，甚至造成停機(jī)事故。所有的接觸密封，由于其本身的特點(diǎn)，都會(huì)產(chǎn)生磨損和能量損失。以軸徑 3 英寸（約 76mm) 的橡膠骨架油封進(jìn)行工作壽命及能耗測(cè)試，轉(zhuǎn)速設(shè)定在 2550 轉(zhuǎn)/分鐘，結(jié)果顯示，普通的骨架油封在 1500 小時(shí)內(nèi)失效率超過(guò)90%。即使是進(jìn)口品牌的骨架油封，其實(shí)際工作壽命也不會(huì)超過(guò) 3000 小時(shí)，而且密封唇劃傷軸后，會(huì)導(dǎo)致密封效果越來(lái)越不理想。而目前很多關(guān)鍵設(shè)備，其制造標(biāo)準(zhǔn)（比如API610 化工泵，IEEE-841 電機(jī)）要求其密封必須可以連續(xù)運(yùn)行 5 年，且免維護(hù)。因此骨架油封并不適合需要連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的工業(yè)設(shè)備，例如，加工行業(yè)的泵、電機(jī)、齒輪箱、汽?機(jī)等。經(jīng)測(cè)試，每個(gè)骨架油封平均消耗的功率為 150W。
一般油封的功率消耗和以下幾個(gè)因素有關(guān)：（1）軸徑，轉(zhuǎn)速，軸表面光潔度；（2）潤(rùn)滑油黏度；（3）溫度；（4）密封唇材質(zhì)。一個(gè)企業(yè)如果安裝大量的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，且常年連續(xù)運(yùn)行，其每年的功率消耗及維護(hù)費(fèi)用會(huì)非?？陀^，不利于企業(yè)的節(jié)能降耗及生?效益的提高。軸承隔離器作為一種非接觸、無(wú)摩擦的密封裝置，其不劃軸、不消耗功率、免維護(hù)、零泄漏的特性，能更好滿足現(xiàn)在工況企業(yè)設(shè)備密封的需要。其主要優(yōu)點(diǎn)：（1）非接觸、無(wú)磨損的持久軸承保護(hù)；（2）蒸汽阻斷環(huán)可阻擋由于軸承箱加熱或冷卻時(shí)造成的蒸汽侵入；（3）提供分體式設(shè)計(jì)，便于安裝；（4）免維護(hù)；（5）零能耗；（6）標(biāo)準(zhǔn)耐受溫度范圍為 -37 ～ 204ºC；（7）采用銅、不銹鋼、鋁或其他材料制成，以適應(yīng)極端條件。
迷宮式軸承隔離器作為橡膠密封和迷宮密封的改進(jìn)方案，是一種具有獨(dú)特設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的復(fù)合迷宮密封，一般由耐腐蝕且散熱的錫青銅加工而成，并配有氟橡膠材料靜密封，真正實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)設(shè)備零泄漏，且無(wú)須維護(hù)。使用壽命可以達(dá)到幾十年，可以阻擋外界灰塵、蒸汽、水霧等侵入，防護(hù)級(jí)別達(dá)到 IP66。對(duì)比傳統(tǒng)的橡膠密封或迷宮密封，軸承隔離器極大地提高了設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。針對(duì)運(yùn)行工況更惡劣的設(shè)備，可升級(jí)選用磁力式軸承隔離器，通過(guò)磁力補(bǔ)償系統(tǒng)使端面貼合非常緊密， 做到零泄漏同時(shí)可有效阻擋外部物質(zhì)入侵，是真正的軸承保護(hù)器。相比來(lái)說(shuō)，兩種軸承隔離器的價(jià)格均高于傳統(tǒng)的骨架油封，但是長(zhǎng)期來(lái)看，產(chǎn)生的效益是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出軸承隔離器成本的，大大減少了維修頻次，提升了現(xiàn)場(chǎng)管理水平，徹底消除了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的跑冒滴漏。三種軸端密封形式特點(diǎn)見(jiàn)表1。
[1]吳勝華,何彥書(shū).迷宮密封與油封密封在渣漿泵上的應(yīng)用比較[J].通用機(jī)械,2010(08):78-79.
[2]郭宗巖,蘇建軍,鐘磊,韓國(guó)濤,李鵬,趙強(qiáng),韓玉生.軸承隔離器在動(dòng)設(shè)備軸端密封中的應(yīng)用[J].中國(guó)設(shè)備工程,2022(S2):214-215.
（來(lái)源：加氫設(shè)備工程師）