摘 要：從Y型密封圈的密封原理出發，研究了其結構設計與工作環境的關系。通過分析密封圈的使用環境條件，設計出了滿足使用要求且性能可靠的Y型密封圈;通過實例證實了所提出的設計理論。
關鍵詞：Y型密封圈;密封原理;結構設計
1、結構簡介
在大型工程機械上，Y型密封圈常常用于液壓油缸或氣動缸，僅起單向密封作用，其產品結構設有內唇A和外唇B(見圖1)為獲得較佳初始密封效果，工程技術人員設計產品時應在其內、外唇口留有一定的過盈量(見圖2)。裝入工作溝槽后，密封圈兩唇口僅與滑動表面、溝槽徑部接觸，產生一定量的預應力，起到密封作用(見圖3)。工作時，在液壓力作用下密封唇口在其圓周方向產生變形，完全貼合在活塞桿表面和缸體配合表面，起密封作用。
圖1 產品示意結構
圖2 裝配前的過盈量
圖3 裝配后接觸壓力分布
2、結構設計
Y型密封圈的設計與其工作壓力相關，設計參數隨工作壓力的不同需作相應調整。Y型密封圈設計參數主要包括，唇口過盈量、唇口厚度a，外唇與缸體或內唇與活塞桿夾角A、根部尺寸、以及內外兩唇夾角B(見圖4)。
圖4 產品斷面結構圖
2.1 唇口尺寸的優化
Y型密封圈安裝之后，其唇口密封部位與接觸界面有一定的過盈量，產生初始密封力，達到密封效果(見圖4)。初始過盈量過大將導致密封唇口與活動接觸面間的摩擦力增大，唇口部位易磨損，密封圈使用壽命縮短;初始過盈量過小，密封唇口與活動接觸面間的預緊力小，密封效果不理想，甚至不能滿足高壓密封。工作壓力較小時，可以認為產品是在無壓狀態下使用，此時的密封力僅為密封唇口與活動接觸面的接觸預緊力;壓力較高時，不僅要考慮密封唇口的過盈尺寸，而且還要考慮其相應增大的厚度尺寸，以便提高密封唇口的抗彎曲能力。Y型密封圈的密封唇口可采用模壓成型或機械切割方式成型。唇口尺寸較小或者尺寸特別大時，一般采用模壓成型。采用切削加工方式切削唇口時，需用專門胎具，且多一道工序，生產周期較長。
2.2 內唇與活塞或外唇與缸體夾角的確定
內唇與活塞或外唇與缸體夾角(見圖4)的大小直接影響著密封唇口與其相應接觸面的接觸面積的大小。夾角越大，密封唇口與其相應接觸面的接觸面積越小，這對低壓密封效果影響不大，但對高壓密封效果會有影響;夾角較小時，密封唇口與其活動接觸面的接觸面積較大，隨著工作壓力的增大，密封唇口因擴張而產生的過盈力增大，有利于密封，但會增大摩擦力，接觸面磨損加劇，影響產品使用壽命。在滿足工作壓力的條件下，選擇合適的角度值，能獲得良好的密封效果，并能有效延長產品使用壽命。關于該角度的合理取值，應進行相應的力學分析，見圖5。
圖5 唇口力學分析
根據圖5受力分析，將產品密封唇口按彈性力學處理，材料的力學性能滿足虎克定律。密封壓力F垂直于密封唇口切線，應符合以下公式：
Fx=F·cosA
Fy=F·sin A
通過力學分析得知，活動接觸面向上的力不能小于Y向分力Fy，即：
F·cos A·f≥F·sinA
F-預緊力(作用方向與唇口方向垂直);
f-密封唇口與活動接觸面的摩擦系數。
得出A=arctgf，也就是說，角度A的選值與活動接觸面的摩擦系數的大小有關 金屬與橡膠的摩擦系數一般為0.3~0.4，由此得知A值在16.7度到22度之間。
2.3 唇口頂角B的優化
當a值一定時，密封圈頂角B(見圖4)取值越大，受壓時唇口密封部位越易產生較大彈性變形，由此產生的初始密封力也就越大，這對低壓密封非常合適;隨著工作壓力的不斷增大，頂角B應當適當變小，可提高密封唇口的抗壓能力，頂角B的取值一般在50度到60度之間。
2.4 根部尺寸的優化
Y型密封圈受壓時，其根部形狀會出現壓縮變形，導致寬度尺寸變大，高度變小，工作壓力不同時，密封圈根部寬度距缸體或活塞間隙g(半徑間隙，見圖6)取值大小與其使用壽命密切相關;若擠出間隙對于工作壓力來說取值過大，密封件根部可能因自身受壓而損壞 (見圖7)關于擠出間隙g的選擇應當參考圖9進行。根部高度的選擇應參考HG4—335—66進行。
圖6 擠出間隙示意圖
圖7 跟部擠壓受損示意圖
除此之外，在一些壓力較高的密封場合，即使擠出間隙的選擇較為合理，但也較難保證根部材料不受損傷。為使密封圈能夠承受較大工作壓力，可給其根部增加支撐環，支撐環一般選擇摩擦系數較小的聚四氟乙烯或聚酰胺，見圖8。
圖8 密封圈根部支撐環示意結構
圖9 擠出間隙選擇參考圖
3、設計實例
已知：工作壓力為1MPa，材料硬度為80度，活塞桿速度V=0.5m/s，裝配尺寸：槽寬=8.2mm，槽底直徑=79.5mm，缸體內徑=90mm。
圖10 設計產品的斷面形狀
根據本文設計理論 產品相關裝配尺寸為
1)查圖9可得，擠出間隙g=0.3mm;密封圈根部外徑=缸體外經-2g=90-0.6=89.4mm，同理得出產品根部內徑為80.1mm。
2)密封圈高度尺寸及公差范圍參考HG4-335-66，h=(7.0±0.2)mm;由于存在工作壓力，即使密封圈高度比溝槽寬度小1mm左右，加之往復運動的速度不高，也不會出現密封圈在溝槽內躥動的現象。
3)密封圈根部高度選擇應參考HG4-335-66進行，根部高度=4.2mm。
4)唇口裝配單邊過盈尺寸為 0.7~0.75mm，所以唇口部位外徑尺寸為91.5mm，內徑尺寸為78.1mm。
5)唇口厚度=2.0mm 夾角A=17度，頂角B為60度。
4、試驗
上述產品裝入設備中進行考核試驗，試驗工況見表1。
表1 實際裝機考核指標
實際裝機考核試驗溫度為100℃，在設備連續工作24h后，沒有出現漏油現象，說明密封效果良好。拆卸下來后，觀察到密封圈外觀沒有出現較大變形和破壞現象。
5、小結
通過探討，掌握了Y型密封圈設計時應注意的幾個關鍵尺寸和設計準則。在實際設計中 要根據用戶的使用工況對產品局部設計規范稍作改動。例如：密封圈唇口厚度隨著工作壓力的增大應當適當加厚，頂角B適當減小等等，但這些改動設計人員應當靈活掌握。
參考文獻：日本 NOK株式會社。液壓密封系統Z 。
