現（xiàn）代工業領域中，密封技術起（qǐ）著舉足輕重的作用，它是液壓和氣壓係統性能得以保證的關鍵。密封失效（xiào），不僅大幅度增加了後續維修（xiū）成本，還可導致致命的災難，如美國挑戰者號航天（tiān）飛機發射爆炸，就是由於密封失效引起的。液壓往（wǎng）複密封技術是建立在密封偶合麵的潤滑、摩擦、磨損、傳熱、材料性質（zhì）和結構設計原理之（zhī）上（shàng），是液壓係統中使用（yòng）條件複雜，對密封裝（zhuāng）置要求較高的動密封。本文作（zuò）者通過對液壓往複（fù）密封原理、密封關鍵技術和設計方法、密封結構型式和應用的進展研究，提出（chū）未來往複密（mì）封技術（shù）的發展趨勢和（hé）研究熱（rè）點。 1 .液壓往複密封理論的進展 液壓往複密封理論（lùn）實質上是研究（jiū）相對運動表麵的相互作（zuò）用。自20世（shì）紀70年代新（xīn）興邊緣學科——摩擦、磨（mó）損和潤滑學的出（chū）現（xiàn），才將密封裝置作為一個係統加以研究，使柔性（橡膠（jiāo））與剛性表麵相對運動（dòng），比兩個剛性表麵相對運動的研究，出現了（le）更新、更複雜的內容，從而也大大豐富了動態密封理論。 1.1 密封（fēng）偶合麵的摩擦、磨損與（yǔ）潤滑 1.1.1 密封偶合麵間的摩擦狀態 相互接觸的（de）往複密封偶合麵間（jiān）有幹摩擦、 邊界摩擦、混合摩擦和流體摩擦4種狀態。 （1）幹摩擦是指密封偶合麵沒有任何潤滑劑或保（bǎo）護膜的密封件與被密封麵接觸時的摩擦，在實際往複密封中（zhōng），不存（cún）在真正的幹摩擦。 （2）邊界摩擦是指密封偶合麵被吸附在表麵的（de）邊界（jiè）膜隔開，摩擦性質取決於邊界膜和表麵的吸附性（xìng）能時的摩擦。 （3）流體摩擦是（shì）指（zhǐ）密封偶合麵被流體膜隔開，摩擦性質取決於流體內部分子間粘性（xìng）阻力的（de）摩擦。 （4）混合摩擦是指密封偶合麵處於邊界摩擦（cā）與流體摩擦（cā）的混合狀態（tài）時的摩擦。 往複密封停止運動停留（liú）較長時間，重新（xīn）啟動時會逼近幹摩擦狀態。靜止時，潤（rùn）滑油膜在接觸壓力的作用下，被擠成厚度很小的薄膜，此時間（jiān）隙之（zhī）間的油膜不完整，處（chù）於邊界摩擦狀（zhuàng）態。隨著相對運動速度的提高，油液運動產生的動（dòng）力使油膜厚度增加，形成流體摩擦。由於（yú）往複運動表麵相對速度和密封壓力變化範圍很廣（guǎng），因此混合（hé）摩擦狀態也是不可避免的。 1.1.2 密封（fēng）偶合（hé）麵間的磨（mó）損 密（mì）封偶合麵間的摩擦將導致密封元件材料的逐漸喪失或遷移，即形成密封件（jiàn）的磨（mó）損。在密封偶（ǒu）合麵間加入潤（rùn）滑劑可降低摩擦（cā），減輕磨損。密封（fēng）磨損與被密封麵的加（jiā）工精度和密封摩擦表（biǎo）麵的粗糙度（dù）紋理形狀（zhuàng）有關。 1.1.3 密封偶合麵間的潤滑 在往複密封中，密封偶合麵的潤滑對於其密封性能與壽命起決定作用。為保證往複密封的良好的運動特（tè）性和一定的使用壽命，密封（fēng）偶合間不允許出現幹摩擦。邊界（jiè）摩擦、混合摩擦和流體摩擦都必須滿足一定的潤滑條件，相應的（de）潤滑狀態分（fèn）別（bié）為邊界潤滑、混合潤滑和流體潤滑。有2種方法來判（pàn）斷密封偶合麵間的潤滑狀態。 方（fāng）法1:根據圖1所示（shì）的摩擦特性（xìng）係數μv/Pm及相應的摩擦特性曲線來（lái）判斷（duàn）。v為相對運動速度（dù），μ是潤滑油的動力粘度，Pm為平均負載壓力。 方法2：通過（guò）膜厚比來判別。 式中hmin為密封偶合麵間的Z小公稱油膜厚度,μm;Rq1、Rq2分別為密封偶合麵輪廓的均方根偏差。 （1）邊界潤滑: λ≤1時密封偶合麵呈邊界潤滑狀態。邊界潤滑的膜（mó）厚為0.005~0.1μm摩擦因（yīn）數為0.08~0.14，相對速度較低。邊界潤（rùn）滑時，密封偶（ǒu）合表麵的粗糙度之和一般都超過邊界膜的厚度，所以邊界摩擦不能完全避免（miǎn）密封偶合麵的直接接（jiē）觸，吸附在密（mì）封偶合麵的邊界薄（báo）膜承擔大部分載荷（hé）。邊界（jiè）膜強度受密封偶合麵（miàn）的相對速度、流體粘度、接觸壓力、材料特性、表麵粗糙度、溫度等（děng）因（yīn）素的影響。 （2）混合潤滑1≤λ≤3時的（de）密封偶合麵處於混合（hé）潤滑狀態。混合潤（rùn）滑時（shí）的膜（mó）厚（hòu）為0.01~0.1μm摩擦因數為0.02~0.08表麵相對速度略有增加。混合潤滑時，隨潤（rùn）滑膜厚度的增大，表麵輪廓直接接觸的數（shù）量減小，潤滑（huá）膜的承載（zǎi）比例也隨之增加。 （3）流體潤滑：λ≥3時的密封偶合麵（miàn）形成完全的流體潤（rùn）滑狀態。流體潤滑時的潤滑（huá）油膜厚度大到足以將（jiāng）兩個表麵（miàn）的輪廓峰完全隔開，膜厚為0.25~2.5μm摩擦（cā）因數為0.001~0.008，表麵相對速度較高。流體潤滑時，潤滑劑中的（de）分子大都（dōu）不受密封（fēng）偶合麵吸附作（zuò）用的支配而自由移動，不會有磨損產生，是理想的潤滑狀態。 由於無論是從膜厚還是從（cóng）摩（mó）擦特性來說，在彈流潤滑和邊界潤滑之間（jiān）還是一個空（kōng）白區，而混合（hé）潤滑隻是描述了（le）各種潤滑狀態共存（cún）時的潤滑性能（néng），並不具備基本的、獨立的潤滑機製。因此，近些年（nián）來提出了介於彈流潤（rùn）滑和邊界潤滑之間的薄膜潤滑。隨著科學技術的發展，摩擦學研究已（yǐ）深（shēn）入到微觀研究領域，形成了（le）微-納米摩擦學理論，如（rú）超潤滑概念。從理論上講，超潤滑是實現摩擦（cā）因數為零的潤滑狀態，但在實際研究中，一般認為摩擦因數在（zài）0.001量級（或（huò）更低（dī））的潤滑狀態即（jí）為（wéi）超潤滑狀態。 對往複密封來說，流體潤（rùn）滑使密封摩擦麵間的摩擦力迅速降低，磨損Z小（xiǎo），是一種理想的潤滑狀（zhuàng）態。 1.2 液壓往複（fù）密封機製 液壓（yā）往複密封機製受（shòu）密封偶（ǒu）合麵間（jiān）的液壓流體行為支配。圍繞這一問題，不（bú）同學者從不同的角度進行（háng）了大量的研究，並提出了很多（duō）動態密封理論，下（xià）麵介紹幾種典型（xíng）的液（yè）壓往複密封理論。 1.2.1 液體（tǐ）表麵張力理論 密封裝置主（zhǔ）要密封某種流體, 而流體具有表麵張力。密封件與軸（zhóu）的間隙形成的液膜，就是表麵張力造成的。EJJagger認為：液體表麵（miàn）張力造成的潤滑液膜，由於流體的潤滑性和毛細管作用，會使流體滲入密封間隙。在與空氣交界麵上形成彎曲的一麵，表麵張力（lì）會阻止流體通過間隙漏出。介質壓力與密封間隙成（chéng）反比： p=2σ/h 式中σ為表（biǎo）麵張力;p為介質壓力;h為密封間隙。依靠（kào）油膜的（de）表麵張力，潤滑（huá）劑保持在一定位置上，形成一道密封屏障。在運動狀態下，油膜厚（hòu）度隨摩擦偶（ǒu）合麵的相對速度、流體粘度、接（jiē）觸（chù）麵壓力等許多因素的影響而改變。 1.2.2 邊界（jiè）潤滑理（lǐ）論 這是用來說明密封失效機製的理論，認為密封件與軸接觸時，有邊界潤滑、流體潤滑和混合潤滑（huá）3種（zhǒng）潤滑狀態。很多學者認為，往複密封是在（zài）流體動力潤滑狀態下密封（fēng）。 1.2.3 流體動力密封理論 浮動在流體膜上（shàng）的聚合體密封（fēng）配合表麵與表麵當作剛性（xìng）體的流體動（dòng）壓密封不同，其特（tè）性（xìng）像（xiàng）被（bèi）界（jiè）麵膜流體壓力（lì）局部支撐的隔膜。因此，膜形狀的預測建立在反向流體動力學理論基礎上，可用雷（léi）諾方程來處理。 式中u0為活塞外行程時的速度；P0為內部壓力；h(x)為可變膜的高度；為液（yè）膜中的可變壓力；η為間隙內（nèi）的流體的粘（zhān）度；h0*為Z大壓力處的膜高。 假定h在某一取值時使|dp/dx|達到Z大,為此將式(1)對h求導並（bìng）令其為0,可（kě）得h0*=2/3h,將（jiāng）此代入式(1)得: 因此,縫隙間流體（tǐ）流量可由油膜厚度求得,流體的泄漏由|dp/dx|支配。 如果以往複運動（dòng）的活塞杆密封為例，假定活塞杆直徑為d,則粘附在外行（háng）程杆上液體的體積流量為: 式中：ui為內行程的（de）速度；Pi為內行程時液（yè）體（tǐ）壓力；hi*為內行程（chéng）時Z大壓力處（chù）的膜高。 若活塞杆以等速u作往複運動，活塞杆行程（chéng）為H，一個周期t內包（bāo）括外行程t/2和（hé）內行程t/2,外行程油（yóu）液向外泄漏,流量為V0：內行程油液被帶（dài）入，流量為（wéi）Vi,則一個周期（qī）內油液淨泄漏量為： 因此，油液不發生外（wài）泄漏的條件是： 由於（yú）密封件的結構形狀和材料（liào）與（yǔ）變形有關，而變形又會影響油膜（mó）壓力。因此，合理設計密封形狀與預壓力的施加位置，可改善密封件的密封與摩擦性（xìng）能（néng）。 2 .液壓往複密封的發展與（yǔ）應（yīng）用 2.1 液壓（yā）往複密封的設計方法 用於液壓往複密封的都是接觸型密封，需要密封件通過彈性變形跟隨滑動表麵因粗糙度、形狀公差、波紋度引起的密封間隙變化，或因負載變化使活塞（或活塞杆）與（yǔ）缸套變形（xíng）而產（chǎn）生的密封（fēng）間隙變化（huà），以阻塞泄漏（lòu）通道。橡膠密封（fēng）件因較好（hǎo）的回彈性而作為（wéi）往（wǎng）複密封的主要密封（fēng）元件。為使式（7）總能（néng）成（chéng）立，用於往複密封的（de）橡膠密封件應設計成不同的截麵形狀。然而，彈性（xìng）好的（de）橡膠密封件（jiàn）往往耐磨性較差，為此新型組合密封，包括結構和材料的組合密封件成（chéng）為往複密封的主（zhǔ）要密封形式。 2.1.1 不（bú）同截（jié）麵形狀的彈性體密封 O型密封圈因結構緊湊，尺寸小，具有預密封效果和自密封作用及磨損後（hòu）自動補償能力，在液（yè）壓往複密封中得到廣泛應用。但在高壓、高溫工（gōng）作條件下，O型圈往（wǎng）往因間（jiān）隙咬傷和運動時的扭曲而產（chǎn）生失效。因此，通過截麵形狀（zhuàng）的（de）改變改（gǎi）善O型密封圈（quān）的某些性能。圖2所示的O型、三角型、X型、異型、H型和Y型截麵密封圈等可適用於（yú）不（bú）同的介（jiè）質壓力和運動速度。 三角型密封（fēng）圈以很小的摩擦（cā）接觸（chù）麵積，提供良好的溝槽接觸（chù）麵積，以保持穩定（dìng）；型密封圈以均勻分布的接觸應力，減小泄漏；異型密封圈（quān）可防止往複運動時的翻轉和扭曲；H型（xíng）密封圈能適應介質（zhì）工作壓力（lì）而改變接觸（chù）壓力，獲得良好（hǎo）的密封性（xìng）能；Y型密封圈因具有自封作用，可密封高壓介質（zhì）且（qiě）具有較好的綜合（hé）密封性能。 2.1.2 結構上（shàng）的（de）組合密封 由（yóu）於往複密封所需的密封性和（hé）耐磨（mó）性難以在一個密封件上同時具備，因此20世紀80年代末出現的組合密封在往複密封中（zhōng）得到迅速（sù）應用。組合密封的密封功能（néng）由彈性橡（xiàng）膠密封（fēng）件或彈簧完成，而（ér）耐磨性能由填充PTFE或增強（qiáng）聚胺脂（zhī）來實現。如圖3所示為典型的組合（hé）密封型式。 2.1.3 材料上的組合密封 為了獲得各種性能的（de）密封材料，往往在一種基體材料中加入各種（zhǒng）成份。如在填充PTFE中加入MoS2添加劑（jì）增加剛性硬度和耐磨性,加入石墨改善（shàn）尺寸穩定（dìng）性和耐磨性,加入青銅（tóng）提高耐壓性、加強散熱性，加入（rù）玻璃纖維改變（biàn）拉伸強度、伸（shēn）長率、壓縮變形和韌性；用PTFE包覆橡膠密封圈改善密封的耐化學（xué）藥（yào）品的性能等。 2.1.4 串聯密封 原則上（shàng），許多類型的（de）密封（fēng）可組合成串聯形式。串聯密封中，密封通過獨立支撐，每個（gè）密封的密封堤相互分（fèn）開，如圖4所示（shì）。串聯密（mì）封可提高動態密封性能（néng），且摩擦力低於單個密封的摩擦力。串聯密封正確發（fā）揮作用的條件是兩個（gè）密封都必須具有非對（duì）稱壓力分布。 2.1.5 可（kě）調（diào）節密（mì）封 液壓技術的高速（sù）發展，不但對密封件的數量要求成倍增加（jiā），而且對質量、可調節和可（kě）控方麵提（tí）出更高的要求。近幾年出現的如圖5所（suǒ）示的可調節密封就是為了滿足這種（zhǒng）需求而產生的。 2.2 液壓往複密（mì）封的（de）應（yīng）用 目（mù）前（qián），在往複密封中，O型密封圈已很少（shǎo）單獨使用，主要使用組合密封件。Y型和H型密封圈（quān）在許（xǔ）多往複密封（fēng）場合中廣泛采（cǎi）用。 在高負荷密封界（jiè）麵潤滑不充（chōng）分的情況下，常導致局部過熱、磨損（sǔn）和粘滑，可使用具有低附著（zhe）力並可能具有微觀凹坑的密封界麵。在（zài）液壓缸中，由於活塞杆伸出元件外部，因此要嚴格阻止油液泄漏，汙染環境，又要防止外部水、氣和雜質侵入元件，為（wéi）避免動態泄漏，可使用串聯密封（fēng），如由兩個PTFE同軸密封和一個PTFE雙刮油密封組成液壓缸活（huó）塞杆密封。活塞密封的兩邊（biān）都有液壓油，密封間隙中一般為流體動壓潤滑，可通過被增能的矩形截麵PTFE密封環來密（mì）封，且用PTFE材料製成的附加外側軸承環保護（hù）活塞不受磨損顆粒侵害（hài）。 3 .液壓往複密封技術的（de）進展（zhǎn）研究 液壓往複密封技術（shù）的進展研究就（jiù）是從宏觀上總結往複密封技術的發展（zhǎn）曆程，從微（wēi）觀上（shàng）分（fèn）析往複密封技術的結構進化（huà）特（tè）點，並為新（xīn）型往複密封（fēng）技術的開發提供（gòng）設計思路。 文獻利用TRIZ(The Theory of Inventive Problem Solving)技（jì）術進化理論,根據不（bú）同時期（qī）液壓往複密封的材質、結構型式和可控性對密封性能和耐磨性能的（de）定量分析，對當前液壓往（wǎng）複密封技術的進化曲（qǔ）線進行了研究，並指出液壓往複（fù）密封技術仍處於其生命周期的生長期。文獻通過對液（yè）壓往複（fù）密封（fēng）的進化狀態分析，係（xì）統地歸納和總結了液壓往複密（mì）封的11條進化路線，並畫出了液（yè）壓往複密封的進化潛（qián）能（néng）圖，確定了未來往複密封技術的開發方向。 4. 液壓往複密封的研究熱點和發（fā）展趨勢 通過液（yè）壓往複密封的密封機製（zhì）、設計（jì）方法、應用和技術的進展分析及研究，確（què）定未來液壓往複密封的研究熱點和發展趨勢為： （1）密封性能和耐（nài）磨性的進一步提高（gāo）。從液壓往複密封技術的進化曲線看，未來密封件往複密封技術的發展是在不改變現有密封原理的情況下，致力於對密封件（jiàn）結構、材料和型式的改進來提高（gāo）其（qí）密（mì）封性能和耐磨性（xìng）能。 （2）增加往複密封的可（kě）控性。通過結構和材料的進一步（bù）分離，實現（xiàn）良好的（de）密封和耐磨（mó）功能。 （3）充分利用（yòng）係統內部資源提高密封性能（néng）。通（tōng）過設計新（xīn）型的密封結構形（xíng）式，利用被密封液體資源提高密封的可靠性和耐磨性。 （4）密封與（yǔ）耐磨功能的集成。串聯密封雖然可（kě）提高密封性（xìng）能，但增大了結構尺寸。因（yīn）此，結構緊湊的集密封與耐磨功能於一體的新型密封是（shì）未來往複密封設計的重要內容。 （5）通（tōng）過對往複密封件的有限元（yuán）分析，模擬密封（fēng）件在液壓力和預壓縮力作用下的應力、應變分布，合理設計密封圈的截麵形狀。(佳工（gōng）機電網（wǎng）)