探索先进的密封技术和设计可以提高旋转机械的性能
【摘要】
介绍了一种采用PTFE复合材料的可提高设备性能的先进的密封技术。
【关键词】PTFE 密封橡胶 压缩机
一 前言
旋转机械面临着对寿命、转速、温度及压力比以往更苛刻的要求，因此给用传统材料制造的标准密封件提出了难题。具有潜在破坏性的工艺液体或气体会对密封产生更多的挑战。其结果将造成密封件的早期失效频率大大增加，从而导致停机，并加大了维护的成本。
设计工程师正逐渐把注意力转移到先进的密封技术和设计密封解决方案，尤其是在恶劣环境中的应用。
这些技术包括聚四氟乙烯(PTFE)密封件，它具有卓越的转速、温度及压力能力。PTFE密封运用不同的材料配方进行定制化设计，以满足特殊应用需求。
二、现代密封的挑战
传统密封件主要用弹性橡胶材料制成，主要用于汽车，也包括泵、齿轮箱、液压马达等旋转机械和其他设备中。
尽管在大多数应用场合中，橡胶密封件可靠性高，但在恶劣条件下却遇到了麻烦。例如运行温度高于104~C (220。F)，将导致橡胶提前老化，造成密封件发硬，进而出现开裂，最终失效。其后果是润滑油或工艺介质的泄漏或杂质的侵入。表面速度高、压力脉动和喘振，以及污染严重的环境更使橡胶密封难以应对。
橡胶密封件对膨胀也很敏感，这是由于暴露在介质中的密封橡胶材料吸收液体引起的。在所有的应用场合中，必须认真分析密封材料和介质的兼容性。介质的兼容性对制冷剂和密封尤其重要。在制冷压缩机中，一旦与制冷剂缺乏兼容性会导致密封总体效果遭到突发或灾难性的破坏。当压力减少到低于制冷剂的沸点时，被吸入密封材料的制冷剂瞬间变成气态，结果导致密封即刻失效。解决这个难题的最好办法是采用只吸收微量制冷剂的PTFE复合材料。
三 PTFE复合材料
与橡胶不同，PTFE复合材料事实上具有惰性化学物的特点，与各种不同的工艺介质接触，显现出几乎完全的兼容性。PTFE密封具有温度范围广的特点，即使暴露在污染严重的介质中，也能体现出卓越的耐磨性和超长的寿命。PTFE母材复合碳、石墨、聚酰亚胺以及其他添加物或者玻璃纤维可以加强耐磨性和抗蠕动性。添加物的选择一般基于应用环境的要求。
PTFE主要应用在空气压缩机的轴封，空调系统压缩机的内效率密封，以及制冷压缩机的挡油密封，用以保证机械密封的有效润滑。
在压缩机滑阀中，PTFE导向环能对内部活塞进行精确的定位，从而更好地控制压缩机的流量和压力，如图1N示。
四、替代标准密封
最近，一个多级螺杆压缩机制造厂与SKF合作研发一种新型的嵌入式改进型PTFE密封，用于高压级螺杆压缩机，要求该密封能连续运行在超过0．4 MPa(60psi)的压力工况中，在停机的瞬间压力超过3．4 MPa(500psi)，同时这类螺杆压缩机一般用于矿山，密封要连续暴露在煤粉及其他污染中。
PTFE双唇密封在空气压缩机停机时能有效地防止泄漏，如图2所示。
联合设计的结果是一种具有卓越耐磨特点的PTFE密封，井设有一个一体式的防尘圈，防止杂质的侵入。
装有新型PTFE密封的螺杆压缩机已经开始高效运行至今，没有任何密封失效问题。
五，优化密封唇性能
压力和污染促使重工业链锯机械的制造厂也想寻求新的密封解决方案。链锯运行转速6 000r／min，用于切割混凝土墙。传统的橡胶密封无法有效地防止水泥粉尘和其他杂质的侵入。解决方案是一个定制设计的PTFE唇口密封筑起一道防尘屏障，如图3所示。
配套厂家又发现在同类的产品中发现的第二个问题：在链锯的液压马达中一个内部的橡胶密封无法承受瞬间高压。于是，一个特殊的带弹簧支撑PTFE旋转密封(如图4所示)的研发解决了这个难题。
轴承和其他转动部件设计工作完成后。假设有现成的标准密封可供选择，就可以满足客户的需求。然而，假设往往不再有效。如上所提到的，现代应用的苛刻要求将颠覆标准密封适用性。
由于这个原因，设计工程师最好在设计阶段初期就应该提出密封问题，并仔细考虑运行参数及其对密封选型的影响。这些参数主要包括：动态应用、允许的摩擦／扭矩、所密封的介质性能(气体、液体或润滑剂的特点，磨蚀性能及黏度等)、运行温度以及运行压力包括压力峰值、最大允许的泄漏量、安装表面的硬度及表面粗糙度，潜在的偏心度、公差、密封及应用的预期寿命。
这些应用参数很大程度上确定了密封的特点和要求，并对是否应该在给定的应用场合中考虑采用高级密封技术产生影响。这些参数影响着所期望的密封唇接触压力，合适的弹簧或者橡胶载荷以及唇口干涉量。密封材料及唇I71形式的选择也对应用参数起着作用。
从工程技术的角度来看，密封接触面积和弹簧力在设计时是要重点考虑的。弹簧力大，接触面积狭小，会改善密封性能和总体的密封效果，但也会增加密封件及配合运动表面的磨损率。应用压力增加了载荷和密封接触面积。在PTFE唇式的密封件上，唇口内径、唇口厚度、密封内骨架直径以及轴径的关系决定了密封唇对轴的载荷分布。
在早期完全提出密封问题可以减少涉及密封的故障，避免了昂贵的重新设计，同时也减少了密封不当的机器投入生产的风险。
七、活塞及活塞杆的密封应用
先进的PTFE密封技术也被证实了在包括活塞及活塞杆密封的液压应用中非常有效。例如，最近有一家伐木设备制造厂改进了在液压系统分路上的密封性能。虽然在运行时旋转速度小于10r／min，但该设备的液压分路在运行时会受到超过20．67 MPa(3 000 psi)的压力。PTFE活塞密封带有橡胶O形圈是一款定制设计的产品，用来承受高压。该密封采用了比常用的标准多层密封更有效的密封型线。这种特殊的型线改进了密封性能，且能在20．67 MPa(3 000 psi)压力时减少40％的扭矩。
