濕式制動器的幾種密封方案的分析研究

2015-01-21 劉建紅 廣州機械科學(xué)研究院有限公司

  該文通過對濕式制動器密封方案的工況適應(yīng)性、密封可靠性以及密封壽命等重要技術(shù)特性的分析研究,歸納總結(jié)了濕式制動器所采用的四種類型的密封產(chǎn)品O形圈、Y形圈、Y+O形圈和同軸組合密封圈的優(yōu)缺點,為不同工況條件下的濕式制動器提供了適配的密封技術(shù)解決方案。

  濕式制動器最早出現(xiàn)在美國,與干式制動器比較,濕式制動器以其高效長久的制動性能被機械工業(yè)廣泛采用,如工程機械、礦山機械等。由于濕式制動器具有制動力矩大,使用壽命長,抗熱衰退、抗污染能力強以及免維護等特點,也是某些機械式壓力機的主傳動部件,如汽車覆蓋件專門壓力機械采用的制動器。國內(nèi)對濕式制動器的研究,主要集中在摩擦磨損、非穩(wěn)態(tài)散熱、溫度場與應(yīng)力場、振動與噪聲、結(jié)構(gòu)設(shè)計與產(chǎn)品制造工藝等方面,對于濕式制動器所采用的密封方案與技術(shù),國內(nèi)涉足較少,也不全面。文獻介紹的是WCQ-3C 型防爆無軌膠輪車驅(qū)動橋制動器的密封改造,將O形圈改為Y形圈,并得到了較好的工程結(jié)果,該文獻的制動器密封形式比較典型,也比較成功,文獻是對Y形圈用于濕式制動器的一種實驗驗證研究。文獻是對一種濕式制動器中所應(yīng)用的矩形密封圈密封機理的研究,并指導(dǎo)實際的密封與密封溝槽設(shè)計,該制動濕式制動器多用于摩托車和小轎車中,并不屬于濕式制動器。本文主要分析濕式制動器的常用密封方案,概括而言,包括下述幾種結(jié)構(gòu)。

1、O形圈密封方案

  O形圈作為密封產(chǎn)品,結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、密封性能優(yōu)良、密封結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便。早期的濕式制動器所采用的密封圈,主要以O(shè)形圈為主。其典型的密封安裝形式如圖1所示,圖中1、2、3、4所采用的密封圈均為O形圈。

濕式制動器的幾種密封方案的分析研究

圖1 O 形圈為主要密封形似的濕式制動器結(jié)構(gòu)示意圖

  采用O形圈作為濕式制動器的密封圈,文獻歸納其主要缺點包括:制動器啟動摩擦阻尼較大,O形圈在使用過程中存在“爬行”現(xiàn)象,從而使制動器響應(yīng)時間長,與之相對應(yīng)的是,制動器的動、靜摩擦片脫開滯后并影響制動效果,并伴有系統(tǒng)過熱,影響制動器本身的使用壽命。

  其實,用O形圈做濕式制動器的動密封,由于橡膠的焦耳效應(yīng),制動器工作時的熱效應(yīng)會使O形圈箍緊往復(fù)運動活塞桿,如圖1右側(cè)密封圈3,造成密封圈O形圈的早期老化,引起O形圈的磨損以至于密封失效。

  從O形圈的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面分析,O形圈屬于典型的“對稱式結(jié)構(gòu)”密封圈,根據(jù)橡膠彈性體與滑動面之間液膜的反向流體動力學(xué)理論,它在進行桿往復(fù)運動密封時,活塞桿的入行程并不能將活塞桿的出行程的液膜全部帶回,即,用O形圈進行活塞桿的往復(fù)動密封,外露活塞桿上會積累油液,宏觀表現(xiàn)為密封不良。對于制動器而言,O形圈用于往復(fù)動密封時,制動器中的液壓油會被桿的往復(fù)運動帶入制動液中,對制動液造成污染,影響制動器摩擦片的摩擦性能,從而影響制動器的制動性能,甚至造成制動失效。正因如此,在濕式制動器的動密封中,很多制動器制造公司會選擇線徑較大的O形圈,如線徑為7mm,或者直接用Y形圈代替O形圈。

2、Y形圈密封方案

  Y形圈作為一種優(yōu)質(zhì)的唇形密封圈,其優(yōu)質(zhì)高效的密封效果得到了密封行業(yè)的一致認可,目前在濕式制動器中被廣泛應(yīng)用,如汽車覆蓋件自動沖壓生產(chǎn)線中的機械壓力機(文獻)。隨著國內(nèi)汽車行業(yè)近幾年的快速發(fā)展,汽車覆蓋件自動沖壓生產(chǎn)線中的機械壓力機的制動器與離合器所采用的Y形圈呈現(xiàn)出標準化的趨勢,國內(nèi)企業(yè)正開始著手這方面的工作,如廣州機械科學(xué)研究院有限公司與濟南二機床集團有限公司所進行的相關(guān)工作。圖2為采用Y形圈密封方案的濕式制動器及密封溝槽結(jié)構(gòu)示意圖,圖中1和2即為Y形密封圈的安裝溝槽圖。

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圖2 機械壓力機制動器及密封溝槽結(jié)構(gòu)示意圖

  圖2所示的制動器的密封方案,密封產(chǎn)品為Y形圈,工作介質(zhì)為壓縮氣體或油氣混合物,工作壓力為0.7MPa。由于該制動器的工作介質(zhì)為含油壓縮空氣,工作壓力只有0.7MPa,Y形圈因所采用的材質(zhì)不同,結(jié)構(gòu)也有所不同。根據(jù)廣州機械科學(xué)研究院有限公司與濟南二機床的相關(guān)工作,Y形圈分為兩種結(jié)構(gòu)類型,如圖3和圖4所示。其中,圖3所示結(jié)構(gòu)適合采用聚氨酯材料,硬度為邵氏A93,圖4所示結(jié)構(gòu)適合采用丁腈橡膠材料,硬度為邵氏A85。結(jié)合有限元分析(FEA),結(jié)構(gòu)a能更好地隨著介質(zhì)壓力的變化而調(diào)整唇口的接觸壓力,較結(jié)構(gòu)b具有更好的密封適應(yīng)性。實踐證明,制動器采用這兩種結(jié)構(gòu)的Y形圈,密封效果與密封壽命均比較優(yōu)秀。

  文獻和文獻對Y形圈用于工作介質(zhì)為液壓油的制動器的密封可靠性也提供了實驗驗證。

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圖3 Y 形圈結(jié)構(gòu)a    圖4 Y 形圈結(jié)構(gòu)b

3、Y+O形圈密封結(jié)構(gòu)

  圖2所示的制動器采用Y形圈作為主密封,滿足了氣動摩擦制動器所要求的動作靈敏、反應(yīng)快速與工作可靠的性能要求,實際工程中,汽車自動沖壓生產(chǎn)線所配備的空氣壓縮包中的空氣壓力是需要保持在一定范圍內(nèi)的,一般依靠空氣壓縮機來進行氣壓補充,也就是說,機械壓力機在實際使用中有一定的壓力損失;蛘哒f,在0.7MPa以下的氣壓狀態(tài)下,Y形圈并不能提供零泄漏的密封效果。Y形圈的這一密封特性,不僅適用密封氣體,也適用于密封液體,一般認為,在流體壓力低于7MPa時,這一結(jié)論都是適用的。為了克服Y形圈的這一缺點,采用液壓油的制動器,技術(shù)人員一般選擇Y+O 形式的密封結(jié)構(gòu),以提高Y 形圈的低壓密封性能。圖5和圖6為采用Y+O形密封圈的制動器的結(jié)構(gòu)示意圖,其中圖5活塞結(jié)構(gòu)為階梯結(jié)構(gòu),圖6密封溝槽為單槽結(jié)構(gòu),密封圈的安裝形式如圖5、圖6所示。

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圖5 Y+O 形圈為主要密封形似的濕式制動器結(jié)構(gòu)示意圖(階梯活塞結(jié)構(gòu))

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圖6 Y+O 形圈為主要密封形似的濕式制動器結(jié)構(gòu)示意圖(單槽結(jié)構(gòu))

  上述圖5和圖6所示的制動器,推動制動盤的工作介質(zhì)一般為液壓油,工作壓力一般不高于16MPa,7MPa左右的工作壓力占較大比例。

  采用Y+O的密封結(jié)構(gòu)形式,如圖7所示,與Y形圈相比較,該結(jié)構(gòu)的密封圈由于在Y形圈的凹槽內(nèi)增加了儲能環(huán)O形圈,提高了密封唇與金屬滑動面的接觸壓力,使接觸壓力曲線更加陡峭,即接觸壓力曲線坡度更大,根據(jù)橡膠彈性體密封界面的反向流體動力學(xué)理論,密封圈的低壓密封性能得到較大提高。實踐證明,當Y形圈的材質(zhì)選邵氏A90的橡膠,O形圈的材質(zhì)選邵氏A70或邵氏A75的橡膠時,在介質(zhì)壓力小于16MPa的工況條件下,Y+O密封圈可以達到零泄漏的密封效果,在介質(zhì)與密封圈相容性良好、工作溫度在密封圈材質(zhì)可承受范圍的條件下,Y+O密封圈可有效運行超過兩年。因此,Y+O形結(jié)構(gòu)密封圈被很多制動器制造企業(yè)廣泛使用。國內(nèi)制動器制造企業(yè)應(yīng)根據(jù)制動器的制動熱效應(yīng)所產(chǎn)生的溫升以及工作介質(zhì)類型,選擇合適的橡膠材料,如氟橡膠或丁腈橡膠,避免因材料不適配而造成的密封失效。

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圖7 Y+O 密封結(jié)構(gòu)形式圖

4、同軸組合密封結(jié)構(gòu)

  近幾年,部分國外濕式制動器采用同軸組合密封圈的密封類型,如圖8中所示,此制動器的組合密封產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖9所示。如前所述,濕式制動器的工作壓力一般小于7MPa,在該工作壓力下,同軸組合密封圈的密封滑環(huán)如果采用聚四氟乙烯或增強型聚四氟乙烯,由于密封面與滑動面之間無法貼合緊密,存在一定的低壓泄液現(xiàn)象,從而造成制動液被污染,影響制動效果。為了克服同軸組合密封的這一缺點,本文推薦的同軸組合密封圈的密封滑環(huán)(圖9中的零件1)不采用聚四氟乙烯材料而用聚酯材料,彈性體則采用優(yōu)質(zhì)的“兩高一低”的橡膠材料,密封材料經(jīng)過如此調(diào)整,本同軸組合密封可達到零泄漏的狀態(tài),密封優(yōu)良。密封滑環(huán)所采用的高分子聚酯材料可在120℃一下長期工作,滿足制動器制動熱影響的要求。

  不過,由于本同軸組合密封圈的密封滑環(huán)采用的是聚酯材料,產(chǎn)品工作時,密封面的摩擦阻尼較大,制動器活塞回位靈活性降低,解決這一缺點的方法是:增加復(fù)位彈簧的彈性模量或增加復(fù)位彈簧的數(shù)量。一般而言,對于濕式制動器,復(fù)位彈簧的復(fù)位力應(yīng)參考制動力進行設(shè)計。實踐證明,對于濕式制動器,復(fù)位彈簧的復(fù)位力大于或等于制動力的10%是合適的。

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圖8 同軸組合密封為主密封1-密封滑環(huán)2-彈性體的制動器結(jié)構(gòu)示意圖   圖9 同軸組合密封結(jié)構(gòu)示意圖

5、小結(jié)

  目前國內(nèi)的濕式制動器的密封方案,綜合而言有上述四種典型結(jié)構(gòu)。

  第1種密封方案成本低廉,目前仍被廣泛應(yīng)用。

  第2種密封方案主要用于機械壓力機,特別是汽車覆蓋件自動沖壓設(shè)備,可滿足高速制動與快速復(fù)位的要求,密封可靠性高,壽命長。

  第3種方案則用于大型行走式工程機械,如礦卡、載重貨車、大型牽引車等,恰當?shù)拿芊獠牧线x擇,可提供較長的使用壽命,有取代第1種密封方案的趨勢。

  第4種密封方案為新型密封結(jié)構(gòu),目前在國內(nèi)尚處于測試驗證階段,其密封可靠性非常優(yōu)異,但制動器的彈簧復(fù)位力要求較大。

  對于制動器彈簧復(fù)位力的大小,根據(jù)部分制動器制造企業(yè)的測算,這四種密封方案,制動器彈簧復(fù)位力為制動力的10%都是可靠的。