1929年，德國Walther Simmer博士發(fā)明了密封材料為橡膠的骨架油封(見圖1)，骨架油封使用的橡膠材料主要有氟橡膠及丁 腈橡膠。丁 腈橡膠成本較低，但其耐高溫性能較差；氟橡膠的耐高溫性能雖然有明顯改善，但成本較高。2種橡膠材料均有耐磨性較差、使用壽命較短的缺陷。

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車發(fā)動機凸輪軸及曲軸的工況條件也更加苛刻，對密封的可靠性提出了更高的要求，它要求密封唇不僅耐介質(zhì)性能及耐高低溫優(yōu)越，而且在高溫、高線速度下摩擦阻力小、密封可靠、使用壽命長。用氟橡膠制造的曲軸密封已經(jīng)很難滿足汽油發(fā)動機的壽命要求，尤其在渦輪增壓柴油發(fā)動機這種更極端工況下無法滿足使用要求。此外，在航空發(fā)動機、螺桿空氣壓縮機等設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸的密封中，傳統(tǒng)橡膠油封已經(jīng)不能完全滿足使用要求，人們開始嘗試用填充聚四氟乙烯材料作為密封唇制作油封。

圖1　傳統(tǒng)橡膠包覆骨架油封

Fig 1　Traditional rubber coated skeleton oil seal

為克服橡膠骨架油封的泄漏問題，美國Mather National等公司在20世紀(jì)70年代先后研制成功用填充聚四氟乙烯材料制作的油封(見圖2)。

圖2　聚四氟乙烯油封

Fig 2　PTFE oil seal

1　聚四氟乙烯特點

聚四氟乙烯(PTFE)屬于四氟乙烯單體的共聚物，主要有如下優(yōu)點：

(1)化學(xué)穩(wěn)定性好：耐強酸、強堿、強氧化劑、還原劑和各種有機溶劑。

(2)使用溫度范圍廣：最高使用溫度260 ℃，最低使用溫度-260 ℃。

(3)摩擦特性好：摩擦因數(shù)非常小，而且動靜摩擦因數(shù)基本相等。

(4)優(yōu)異的耐老化性能和抗輻射性能。

(5)良好的不黏性。

(6)優(yōu)異的電絕緣性能：介電性能極為優(yōu)良。

由于純PTFE耐磨性很差，因此要想作為旋轉(zhuǎn)軸用動密封唇，必需對其進行填充改性處理。填充改性分為無機物填充改性和有機物填充改性，在PTFE純料中加入碳素纖維、玻璃纖維、二硫化鉬、石墨等稱為無機物填充改性，在PTFE純料中加入聚苯硫醚或聚苯脂等稱為有機物填充改性。填充改性能夠很好地提高PTFE的耐磨性能，同時又可以提高材料的鋼性及導(dǎo)熱性，從而提高油封的使用壽命。

2　PTFE油封的發(fā)展過程

軍工行業(yè)是最早使用PTFE材料的，而PTFE作為靜密封材料始于20世紀(jì)50年代。由于PTFE具有優(yōu)異的自潤滑性，因此，20世紀(jì)50年代乙烯壓縮機的氣缸密封用活塞環(huán)選用了PTFE填充材料，效果非常明顯，活塞環(huán)的耐磨性明顯改善，使用壽命大幅度提高，從此PTFE材料開始得以推廣應(yīng)用，隨后逐漸推廣到其他領(lǐng)域的密封件中。

20世紀(jì)70年代，一些國外的公司陸續(xù)開始研究PTFE唇油封，例如：日本荒井公司(NOK)用PTFE 壓制成棒料，經(jīng)過車削加工成圓形薄片，然后模壓成為與橡膠油封形狀類似的產(chǎn)品，這被稱為第一代PTFE油封。由于PTFE材料剛性明顯高于橡膠，回彈性很差，且不耐磨，無法滿足油封跟隨旋轉(zhuǎn)軸高速回轉(zhuǎn)的要求。

第二代PTFE油封是日本荒井公司在橡膠骨架油封的基礎(chǔ)上做出的相關(guān)改進，即在橡膠油封內(nèi)密封唇口側(cè)粘貼上一層PTFE 膜片，將橡膠良好的彈性與PTFE的低摩擦性有機結(jié)合在一起，屬于一種新型的橡塑密封結(jié)構(gòu)。其唇口的線速度高達(dá)25 m/s，耐壓差為0.35 MPa，即使在無油潤滑的狀態(tài)下，依然可以保證較好的密封效果。這種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝相對復(fù)雜，生產(chǎn)成本相對較高，而且黏貼工藝的可靠性較難保證，未能得到良好的推廣應(yīng)用。

第三代PTFE油封也是日本荒井公司研制的，其特點是用PTFE 壓制成棒料，經(jīng)過車削加工成圓形薄片，然后模壓成一個喇叭狀薄膜，薄膜外圈用螺旋彈簧包裹一圈，以提供唇口對旋轉(zhuǎn)軸的抱緊力。該結(jié)構(gòu)的PTFE油封，由于螺旋彈簧對軸的抱緊力偏大，油封的使用壽命較短，而且該結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，未能廣泛推廣。

第四代PTFE油封產(chǎn)品是美國Mather公司1975 年研制出的，其特點與第三代PTFE油封類似，也是用PTFE 壓制成棒料，經(jīng)過車削加工成圓形薄片，然后模壓成一個喇叭狀薄膜，先在外殼的內(nèi)側(cè)底面安裝橡膠彈性墊圈，然后放上模壓好的喇叭狀薄膜，再用內(nèi)骨架壓緊該喇叭狀薄膜，最后將外殼翻邊壓制成型(見圖3)。與第三代PTFE油封相比，第四代PTFE油封結(jié)構(gòu)簡單，無需螺旋彈簧提供密封唇對軸的抱緊力，密封唇與軸的接觸面相對較長，由于PTFE的自潤滑性優(yōu)良，內(nèi)唇口不易因摩擦產(chǎn)生的高溫而損壞。

第五代PTFE油封產(chǎn)品(見圖4)于20世紀(jì)80年代研制成功，也是在第四代PTFE油封的基礎(chǔ)上做出的重大改進。其特點是內(nèi)唇口帶有“反旋螺紋槽”，屬于流體動力型油封，而第四代PTFE油封產(chǎn)品由于內(nèi)唇口光滑，無“反旋螺紋槽”，因此密封效果一般。“反旋螺紋槽”的作用是給外泄到軸表面的油膜一個反向推力，從而阻止油膜外泄以及將外泄的油膜送回密封腔。第五代PTFE油封產(chǎn)品是流體動力學(xué)分析理論在油封領(lǐng)域應(yīng)用的成果，使唇形旋轉(zhuǎn)密封技術(shù)獲得重大突破。目前國外的PTFE油封內(nèi)唇口的螺旋槽基本采用模壓成型，而國內(nèi)PTFE油封內(nèi)唇口的螺旋槽常用車削螺紋型。

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

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

不同的PTFE 油封結(jié)構(gòu)型式，適應(yīng)于不同的應(yīng)用場合，比如：高壓場合選擇雙唇結(jié)構(gòu)，帶防塵唇的結(jié)構(gòu)主要用于灰塵多的場合，而雙向唇結(jié)構(gòu)用于密封2種不同介質(zhì)的場合。

3　國內(nèi)外PTFE油封研究狀況

3.1　國外PTFE油封研究狀況

目前，國外已經(jīng)有比較成熟的聚四氟乙烯油封產(chǎn)品運用于航空發(fā)動機、汽車發(fā)動機及螺桿式空氣壓縮機等領(lǐng)域，國外從事該方面研究的著名公司有瑞典的特瑞寶、美國的卡勒克及法國的圣戈班等。

3.1.1　密封材料

特瑞寶公司的PTFE油封為特康泛力PDR系列，密封材料是在經(jīng)過檢驗的TURCON材料基礎(chǔ)上開發(fā)一系列特殊改性的材料，優(yōu)化了摩擦和磨損特性，能夠提供優(yōu)良的密封性能，尤其適合于高速的圓周運動，可應(yīng)用于有油、少油及無油等工況，在食品、化工、制藥及半導(dǎo)體等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。代表的牌號有：T25、T40、T78及M83，主要填充材料有碳纖維、玻璃纖維、芳香族聚合物、潤滑劑及顏料。美國的卡勒克公司的PTFE油封為PS-SEAL系列，密封材料采用了該公司專利改性PTFE材料——GYLON，該系列產(chǎn)品是專門為高轉(zhuǎn)速、高壓力以及強腐蝕工況設(shè)計的，普通橡膠通常無法滿足要求。主要填充材料有碳纖維、玻璃纖維、硫酸鋇、二硫化鉬及Econol。

3.1.2　密封結(jié)構(gòu)

卡勒克(Garlock)及特瑞寶(Trelleborg)的PTFE油封的結(jié)構(gòu)相對比較多，包括單唇、雙唇(同向及反向)等，其主要結(jié)構(gòu)如圖5、6所示。

圖5　卡勒克PTFE油封結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖6　特瑞寶PTFE油封結(jié)構(gòu)示意圖

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

從圖5及圖6可以看出，兩家國外公司的PTFE油封提供了多種結(jié)構(gòu)形式，用戶可以根據(jù)產(chǎn)品使用工況(壓力、防塵等)，選擇不同的PTFE油封結(jié)構(gòu)。兩者最大的差別在于，特瑞寶的PTFE油封，唇口內(nèi)壁刻有“反旋螺紋槽”，屬于第五代油封，而卡勒克PTFE油封以第四代無“反旋螺紋槽”為主。

3.2　國內(nèi)PTFE油封研究狀況

3.2.1　密封材料

廣州機械科學(xué)研究院是我國機械行業(yè)技術(shù)歸口單位之一，從20世紀(jì)80年代初就開始從事PTFE研究和產(chǎn)品開發(fā)工作，負(fù)責(zé)過國家“六五”、“ 七五”、“八五”相關(guān)PTFE材料的科技攻關(guān)項目。其中，在“十一五”國家科技攻關(guān)項目中承擔(dān)了“重大冶金裝備AGC油缸密封件關(guān)鍵技術(shù)研究”，開展AGC油缸PTFE組合密封研制，目前產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于國內(nèi)多家大型鋼鐵廠中；“十二五”承擔(dān)了國家科技攻關(guān)項目“大型及行走式工程機械密封關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”的子課題“PTFE材料及成型工藝技術(shù)研究”，為“三一”、“徐工”、“廈工”等工程機械企業(yè)提供PTFE密封產(chǎn)品。自2000年以來，廣州機械科學(xué)研究院先后承擔(dān)科技部技術(shù)開發(fā)研究專項、廣東省科技攻關(guān)項目、廣州市科技計劃項目、廣州機械科學(xué)研究院基金項目等十幾個項目，完成了PTFE油封、PTFE油缸密封、長壽命無油潤滑高壓壓縮機密封件、聚合物納米復(fù)合材料及高性能PTFE摩擦密封件、高精高速高效機床用導(dǎo)軌軟帶等的研制和批量生產(chǎn)，積累了豐富的研究經(jīng)驗。

2010年，廣州機械科學(xué)研究院完成廣東省科技計劃項目“發(fā)動機等高溫高速高壓設(shè)備用PTFE油封的研制” ，順利通過驗收，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1　發(fā)動機等高溫高速高壓設(shè)備用PTFE油封技術(shù)參數(shù)

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

3.2.2　密封結(jié)構(gòu)

國內(nèi)研制的PTFE 油封主要應(yīng)用于汽車發(fā)動機行業(yè)及螺桿空氣壓縮機行業(yè)，汽車發(fā)動機油封旋轉(zhuǎn)速度更高，而螺桿空氣壓縮機油封承受的壓力大。國內(nèi)關(guān)于螺桿空氣壓縮機油封結(jié)構(gòu)的資料極少，結(jié)構(gòu)設(shè)計時除了考慮唇口高速旋轉(zhuǎn)外，必須保證唇口的承壓能力。

廣州機械科學(xué)研究院從20世紀(jì)80年代初就開始從事PTFE材料研發(fā)和結(jié)構(gòu)研究工作，自2008年開始承擔(dān)廣東省科技計劃項目“發(fā)動機等高溫高速高壓設(shè)備用PTFE油封的研制”。在項目研究過程中，利用有限元分析方法，結(jié)合臺架試驗驗證，形成了具有獨立自主的知識產(chǎn)權(quán)的PTFE油封材料配方及結(jié)構(gòu)設(shè)計專利(見圖7)，并制訂相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、PTFE油封臺架試驗方法、PTFE物理性能檢驗規(guī)范及PTFE油封產(chǎn)品生產(chǎn)工藝。

圖7　廣州機械科學(xué)研究院PTFE油封結(jié)構(gòu)及外觀圖

Fig 7　PTFE oil seal structure and appearance of GMERI

上海捷贏密封技術(shù)有限公司引進意大利派福特集團的技術(shù)，在PTFE油封研究及推廣方面處于國內(nèi)先進水平，其主要產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)見圖8。

圖8　上海捷贏PTFE油封結(jié)構(gòu)示意圖

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

3.3　國內(nèi)外PTFE油封的差距

20 世紀(jì)80 年代后期，PTFE 油封的研制工作才在國內(nèi)部分汽車配套廠家開始起步，由于基礎(chǔ)薄弱，再加上起步晚，又無驗證手段，因此國內(nèi)PTFE油封的技術(shù)水平與國外相比，差距是全方位的，主要表現(xiàn)在：

(1)外觀方面，無論是金屬沖壓骨架的外觀，還是PTFE密封內(nèi)唇口的“反旋螺紋槽”紋路的清晰度方面，國產(chǎn)PTFE油封的外觀與進口件依然有較大差距。

(2)材料配方方面，由于國內(nèi)從事PTFE密封材料配方研究的單位很少，而能從事高速PTFE油封密封唇口專用料配方研究的單位更少，再加上國產(chǎn)件推廣應(yīng)用緩慢，因此材料配方研發(fā)的整體水平與國外有一定差距。

(3)有限元分析方面，國內(nèi)從事橡塑密封有限元分析研究起步于21世紀(jì)初，目前能夠掌握橡塑密封有限元分析應(yīng)用軟件的單位很少，尤其是掌握高速PTFE油封有限元數(shù)值分析應(yīng)用軟件的單位更少，有限元分析軟件應(yīng)用水平相對較低，尚處于起步階段。

(4)壽命驗證方面，目前國內(nèi)的油封試驗臺，最高轉(zhuǎn)速一般在10 000 r/min，油封唇口的線速度一般不超過30 m/s，與真正意義上的高速油封的線速度差距明顯。由于不具備驗證手段，結(jié)構(gòu)研究、材料研發(fā)及有限元分析結(jié)果是否與實際吻合不得而知，因此是否需要改進無判斷依據(jù)，如何改進更無從談起。

4　PTFE油封的發(fā)展趨勢

由于PTFE油封卓越的性能，并且與普通橡膠油封有互換性，因此它在苛刻工況下取代橡膠油封是必然趨勢。

在目前的航空發(fā)動機傳動附件中，其傳動軸上的PTFE油封不僅要求承受一定的壓力，而且對唇口的速度及溫度要求也越來越高。隨著航空業(yè)的飛速發(fā)展，最高轉(zhuǎn)速及最高瞬時溫度的進一步提高將是必然趨勢。由此可見，運用有限元分析方法，優(yōu)化PTFE油封的密封結(jié)構(gòu)，研發(fā)適合的材料配方，結(jié)合模擬實驗臺架驗證，將是高速、高溫PTFE油封未來需要攻克的關(guān)鍵點。

4.1　PTFE油封總體方案設(shè)計

今后，PTFE油封總體技術(shù)方案應(yīng)該從流體動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)深層次研發(fā)、唇口材料的深層次應(yīng)用及臺架試驗驗證4個方面入手(見圖9)，針對改善高轉(zhuǎn)速下油封的跟隨性、高溫下唇口過盈力的保持及降低高線速度下唇口磨損3個方面進行重點技術(shù)研究，通過對油封腰部韌性、唇口回復(fù)性及油封潤滑狀態(tài)等核心技術(shù)要素的控制，來保證產(chǎn)品達(dá)到使用要求的性能與壽命。

圖9　PTFE油封研究的總體方案圖

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

4.2　研究方法和技術(shù)途徑

(1)提高高轉(zhuǎn)速下的油封跟隨性。改善油封腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高油封腰部的韌性，以改善油封的動態(tài)跟隨性能；選用二代氟材料，提高唇口材料的韌性，改善材料的動態(tài)響應(yīng)性能。

(2)保證高溫下的唇口過盈力。選用二代氟材料，合理改性，提高唇口材料的高溫蠕變性能；對唇口材料進行技術(shù)處理，提高唇口“記憶”及回復(fù)特性。

(3)降低高線速度下的唇口磨損。運用有限元分析工具，進行高速下唇口的流體動力學(xué)研究，改善唇口密封時的潤滑狀態(tài)，從而減少唇口磨損；降低唇口材料的摩擦因數(shù)，提高唇口材料的耐磨性。

5　結(jié)束語

由于PTFE材料不僅適用于一般工況條件，而且在高溫、超低溫、高壓、高速和特種介質(zhì)等工況條件下仍然具有良好的密封作用，因此PTFE油封將一直是高端油封發(fā)展的主流，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

航空及汽車是我國快速發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，高性能的PTFE 油封對這2個產(chǎn)業(yè)有重要的支撐作用。目前，在PTFE 油封材料的研究方面，國內(nèi)與國外比較還存在較大差距，迫切需要加強國內(nèi)的產(chǎn)學(xué)研合作，掌握高速PTFE油封有限元分析方法，開發(fā)出一定壓力下的高速、高溫油封試驗臺，研制出具有國際競爭力和自主知識產(chǎn)權(quán)的PTFE油封產(chǎn)品，制定出PTFE油封產(chǎn)品及材料的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范和指導(dǎo)今后的PTFE油封產(chǎn)品開發(fā)。

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