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PTFE油封技术发展趋势

1929年,德国Walther Simmer博士发明了密封材料为橡胶的骨架油封(见图1),骨架油封使用的橡胶材料主要有氟橡胶及丁腈橡胶。丁腈橡胶成本较低,但其耐高温性能较差;氟橡胶的耐高温性能虽然有明显改善,但成本较高。2种橡胶材料均有耐磨性较差、使用寿命较短的缺陷。

随着现代汽车工业的飞速发展,汽车发动机凸轮轴及曲轴的工况条件也更加苛刻,对密封的可靠性提出了更高的要求,它要求密封唇不仅耐介质性能及耐高低温优越,而且在高温、高线速度下摩擦阻力小、密封可靠、使用寿命长。用氟橡胶制造的曲轴密封已经很难满足汽油发动机的寿命要求,尤其在涡轮增压柴油发动机这种更极端工况下无法满足使用要求。此外,在航空发动机、螺杆空气压缩机等设备旋转轴的密封中,传统橡胶油封已经不能完全满足使用要求,人们开始尝试用填充聚四氟乙烯材料作为密封唇制作油封。

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图1 传统橡胶包覆骨架油封

Fig 1 Traditional rubber coated skeleton oil seal

为克服橡胶骨架油封的泄漏问题,美国Mather National等公司在20世纪70年代先后研制成功用填充聚四氟乙烯材料制作的油封(见图2)。

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图2 聚四氟乙烯油封

Fig 2 PTFE oil seal

1 聚四氟乙烯特点

聚四氟乙烯(PTFE)属于四氟乙烯单体的共聚物,主要有如下优点:
(1)化学稳定性好:耐强酸、强碱、强氧化剂、还原剂和各种有机溶剂。
(2)使用温度范围广:最高使用温度260 ℃,最低使用温度-260 ℃。
(3)摩擦特性好:摩擦因数非常小,而且动静摩擦因数基本相等。
(4)优异的耐老化性能和抗辐射性能。
(5)良好的不黏性。
(6)优异的电绝缘性能:介电性能极为优良。
由于纯PTFE耐磨性很差,因此要想作为旋转轴用动密封唇,必需对其进行填充改性处理。填充改性分为无机物填充改性和有机物填充改性,在PTFE纯料中加入碳素纤维、玻璃纤维、二硫化钼、石墨等称为无机物填充改性,在PTFE纯料中加入聚苯硫醚或聚苯脂等称为有机物填充改性。填充改性能够很好地提高PTFE的耐磨性能,同时又可以提高材料的钢性及导热性,从而提高油封的使用寿命。

2 PTFE油封的发展过程

军工行业是最早使用PTFE材料的,而PTFE作为静密封材料始于20世纪50年代。由于PTFE具有优异的自润滑性,因此,20世纪50年代乙烯压缩机的气缸密封用活塞环选用了PTFE填充材料,效果非常明显,活塞环的耐磨性明显改善,使用寿命大幅度提高,从此PTFE材料开始得以推广应用,随后逐渐推广到其他领域的密封件中。
20世纪70年代,一些国外的公司陆续开始研究PTFE唇油封,例如:日本荒井公司(NOK)用PTFE 压制成棒料,经过车削加工成圆形薄片,然后模压成为与橡胶油封形状类似的产品,这被称为第一代PTFE油封。由于PTFE材料刚性明显高于橡胶,回弹性很差,且不耐磨,无法满足油封跟随旋转轴高速回转的要求。
第二代PTFE油封是日本荒井公司在橡胶骨架油封的基础上做出的相关改进,即在橡胶油封内密封唇口侧粘贴上一层PTFE 膜片,将橡胶良好的弹性与PTFE的低摩擦性有机结合在一起,属于一种新型的橡塑密封结构。其唇口的线速度高达25 m/s,耐压差为0.35 MPa,即使在无油润滑的状态下,依然可以保证较好的密封效果。这种结构生产工艺相对复杂,生产成本相对较高,而且黏贴工艺的可靠性较难保证,未能得到良好的推广应用。
第三代PTFE油封也是日本荒井公司研制的,其特点是用PTFE 压制成棒料,经过车削加工成圆形薄片,然后模压成一个喇叭状薄膜,薄膜外圈用螺旋弹簧包裹一圈,以提供唇口对旋转轴的抱紧力。该结构的PTFE油封,由于螺旋弹簧对轴的抱紧力偏大,油封的使用寿命较短,而且该结构比较复杂,未能广泛推广。
第四代PTFE油封产品是美国Mather公司1975 年研制出的,其特点与第三代PTFE油封类似,也是用PTFE 压制成棒料,经过车削加工成圆形薄片,然后模压成一个喇叭状薄膜,先在外壳的内侧底面安装橡胶弹性垫圈,然后放上模压好的喇叭状薄膜,再用内骨架压紧该喇叭状薄膜,最后将外壳翻边压制成型(见图3)。与第三代PTFE油封相比,第四代PTFE油封结构简单,无需螺旋弹簧提供密封唇对轴的抱紧力,密封唇与轴的接触面相对较长,由于PTFE的自润滑性优良,内唇口不易因摩擦产生的高温而损坏。
第五代PTFE油封产品(见图4)于20世纪80年代研制成功,也是在第四代PTFE油封的基础上做出的重大改进。其特点是内唇口带有“反旋螺纹槽”,属于流体动力型油封,而第四代PTFE油封产品由于内唇口光滑,无“反旋螺纹槽”,因此密封效果一般。“反旋螺纹槽”的作用是给外泄到轴表面的油膜一个反向推力,从而阻止油膜外泄以及将外泄的油膜送回密封腔。第五代PTFE油封产品是流体动力学分析理论在油封领域应用的成果,使唇形旋转密封技术获得重大突破。目前国外的PTFE油封内唇口的螺旋槽基本采用模压成型,而国内PTFE油封内唇口的螺旋槽常用车削螺纹型。

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图3 第四代PTFE油封
Fig 3 Fourth generation PTFE oil seal

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图4 第五代PTFE油封
Fig 4 Fifth generation PTFE oil seal

不同的PTFE 油封结构型式,适应于不同的应用场合,比如:高压场合选择双唇结构,带防尘唇的结构主要用于灰尘多的场合,而双向唇结构用于密封2种不同介质的场合。

3 国内外PTFE油封研究状况

3.1 国外PTFE油封研究状况

目前,国外已经有比较成熟的聚四氟乙烯油封产品运用于航空发动机、汽车发动机及螺杆式空气压缩机等领域,国外从事该方面研究的著名公司有瑞典的特瑞宝、美国的卡勒克及法国的圣戈班等。

3.1.1 密封材料

特瑞宝公司的PTFE油封为特康泛力PDR系列,密封材料是在经过检验的TURCON材料基础上开发一系列特殊改性的材料,优化了摩擦和磨损特性,能够提供优良的密封性能,尤其适合于高速的圆周运动,可应用于有油、少油及无油等工况,在食品、化工、制药及半导体等行业得到广泛应用。代表的牌号有:T25、T40、T78及M83,主要填充材料有碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚合物、润滑剂及颜料。美国的卡勒克公司的PTFE油封为PS-SEAL系列,密封材料采用了该公司专利改性PTFE材料——GYLON,该系列产品是专门为高转速、高压力以及强腐蚀工况设计的,普通橡胶通常无法满足要求。主要填充材料有碳纤维、玻璃纤维、硫酸钡、二硫化钼及Econol。

3.1.2 密封结构

卡勒克(Garlock)及特瑞宝(Trelleborg)的PTFE油封的结构相对比较多,包括单唇、双唇(同向及反向)等,其主要结构如图5、6所示。

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图5 卡勒克PTFE油封结构示意图

Fig 5 The sketch map of PTFE oil seal structure of Garlock (a)>PTFE oil seal with two lips of identical directions;(b)PTFE oil seal with two lips of opposite directions;(c)PTFE oil seal with one lip; (d)PTFE oil seal with one lip of opposite direction

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图6 特瑞宝PTFE油封结构示意图

Fig 6 The sketch map of PTFE oil seal structure of Trelleborg (a)PTFE oil seal with one lip;(b)PTFE oil seal with two lips of identical directions;(c)PTFE oil seal with two superimposed lips;(d)PTFE oil seal with two lips of opposite directions;(e)PTFE oil seal with one dust lip

从图5及图6可以看出,两家国外公司的PTFE油封提供了多种结构形式,用户可以根据产品使用工况(压力、防尘等),选择不同的PTFE油封结构。两者最大的差别在于,特瑞宝的PTFE油封,唇口内壁刻有“反旋螺纹槽”,属于第五代油封,而卡勒克PTFE油封以第四代无“反旋螺纹槽”为主。

3.2 国内PTFE油封研究状况

3.2.1 密封材料

广州机械科学研究院是我国机械行业技术归口单位之一,从20世纪80年代初就开始从事PTFE研究和产品开发工作,负责过国家“六五”、“ 七五”、“八五”相关PTFE材料的科技攻关项目。其中,在“十一五”国家科技攻关项目中承担了“重大冶金装备AGC油缸密封件关键技术研究”,开展AGC油缸PTFE组合密封研制,目前产品广泛应用于国内多家大型钢铁厂中;“十二五”承担了国家科技攻关项目“大型及行走式工程机械密封关键技术研究与应用”的子课题“PTFE材料及成型工艺技术研究”,为“三一”、“徐工”、“厦工”等工程机械企业提供PTFE密封产品。自2000年以来,广州机械科学研究院先后承担科技部技术开发研究专项、广东省科技攻关项目、广州市科技计划项目、广州机械科学研究院基金项目等十几个项目,完成了PTFE油封、PTFE油缸密封、长寿命无油润滑高压压缩机密封件、聚合物纳米复合材料及高性能PTFE摩擦密封件、高精高速高效机床用导轨软带等的研制和批量生产,积累了丰富的研究经验。

2010年,广州机械科学研究院完成广东省科技计划项目“发动机等高温高速高压设备用PTFE油封的研制” ,顺利通过验收,其技术指标如表1所示。

表1 发动机等高温高速高压设备用PTFE油封技术参数

Table 1 PTFE oil seal parameters for high temperature,high speed and high pressure equipment of engine

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3.2.2 密封结构

国内研制的PTFE 油封主要应用于汽车发动机行业及螺杆空气压缩机行业,汽车发动机油封旋转速度更高,而螺杆空气压缩机油封承受的压力大。国内关于螺杆空气压缩机油封结构的资料极少,结构设计时除了考虑唇口高速旋转外,必须保证唇口的承压能力。

广州机械科学研究院从20世纪80年代初就开始从事PTFE材料研发和结构研究工作,自2008年开始承担广东省科技计划项目“发动机等高温高速高压设备用PTFE油封的研制”。在项目研究过程中,利用有限元分析方法,结合台架试验验证,形成了具有独立自主的知识产权的PTFE油封材料配方及结构设计专利(见图7),并制订相关的企业标准、PTFE油封台架试验方法、PTFE物理性能检验规范及PTFE油封产品生产工艺。

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图7 广州机械科学研究院PTFE油封结构

Fig 7 PTFE oil seal structure and appearance of GMERI

上海捷赢密封技术有限公司引进意大利派福特集团的技术,在PTFE油封研究及推广方面处于国内先进水平,其主要产品的结构见图8。

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图8 上海捷赢PTFE油封结构示意图

Fig 8 The sketch map of PTFE oil seal structures of Shanghai Jieying

3.3 国内外PTFE油封的差距

20 世纪80 年代后期,PTFE 油封的研制工作才在国内部分汽车配套厂家开始起步,由于基础薄弱,再加上起步晚,又无验证手段,因此国内PTFE油封的技术水平与国外相比,差距是全方位的,主要表现在:

(1)外观方面,无论是金属冲压骨架的外观,还是PTFE密封内唇口的“反旋螺纹槽”纹路的清晰度方面,国产PTFE油封的外观与进口件依然有较大差距。

(2)材料配方方面,由于国内从事PTFE密封材料配方研究的单位很少,而能从事高速PTFE油封密封唇口专用料配方研究的单位更少,再加上国产件推广应用缓慢,因此材料配方研发的整体水平与国外有一定差距。

(3)有限元分析方面,国内从事橡塑密封有限元分析研究起步于21世纪初,目前能够掌握橡塑密封有限元分析应用软件的单位很少,尤其是掌握高速PTFE油封有限元数值分析应用软件的单位更少,有限元分析软件应用水平相对较低,尚处于起步阶段。

(4)寿命验证方面,目前国内的油封试验台,最高转速一般在10 000 r/min,油封唇口的线速度一般不超过30 m/s,与真正意义上的高速油封的线速度差距明显。由于不具备验证手段,结构研究、材料研发及有限元分析结果是否与实际吻合不得而知,因此是否需要改进无判断依据,如何改进更无从谈起。

4 PTFE油封的发展趋势

由于PTFE油封卓越的性能,并且与普通橡胶油封有互换性,因此它在苛刻工况下取代橡胶油封是必然趋势。

在目前的航空发动机传动附件中,其传动轴上的PTFE油封不仅要求承受一定的压力,而且对唇口的速度及温度要求也越来越高。随着航空业的飞速发展,最高转速及最高瞬时温度的进一步提高将是必然趋势。由此可见,运用有限元分析方法,优化PTFE油封的密封结构,研发适合的材料配方,结合模拟实验台架验证,将是高速、高温PTFE油封未来需要攻克的关键点。

4.1 PTFE油封总体方案设计

今后,PTFE油封总体技术方案应该从流体动力学分析、结构深层次研发、唇口材料的深层次应用及台架试验验证4个方面入手(见图9),针对改善高转速下油封的跟随性、高温下唇口过盈力的保持及降低高线速度下唇口磨损3个方面进行重点技术研究,通过对油封腰部韧性、唇口回复性及油封润滑状态等核心技术要素的控制,来保证产品达到使用要求的性能与寿命。

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图9 PTFE油封研究的总体方案图

Fig 9 Overall scheme diagram for the study of PTFE oil seals

4.2 研究方法和技术途径

(1)提高高转速下的油封跟随性。改善油封腰部结构设计,提高油封腰部的韧性,以改善油封的动态跟随性能;选用二代氟材料,提高唇口材料的韧性,改善材料的动态响应性能。

(2)保证高温下的唇口过盈力。选用二代氟材料,合理改性,提高唇口材料的高温蠕变性能;对唇口材料进行技术处理,提高唇口“记忆”及回复特性。

(3)降低高线速度下的唇口磨损。运用有限元分析工具,进行高速下唇口的流体动力学研究,改善唇口密封时的润滑状态,从而减少唇口磨损;降低唇口材料的摩擦因数,提高唇口材料的耐磨性。

5 结束语

由于PTFE材料不仅适用于一般工况条件,而且在高温、超低温、高压、高速和特种介质等工况条件下仍然具有良好的密封作用,因此PTFE油封将一直是高端油封发展的主流,具有非常广阔的应用前景。

航空及汽车是我国快速发展的产业,高性能的PTFE 油封对这2个产业有重要的支撑作用。目前,在PTFE 油封材料的研究方面,国内与国外比较还存在较大差距,迫切需要加强国内的产学研合作,掌握高速PTFE油封有限元分析方法,开发出一定压力下的高速、高温油封试验台,研制出具有国际竞争力和自主知识产权的PTFE油封产品,制定出PTFE油封产品及材料的行业标准,规范和指导今后的PTFE油封产品开发。