机械密封弹性体技术指南

弹性体(或橡胶)是一种普遍存在的材料家族，其用途几乎涵盖了整个机械密封设计范围。从1770年由约翰·普利斯特利(John Priestly)命名的植物来源的天然橡胶，到20世纪初首次开发的石油来源的合成橡胶，弹性体及其性能为人所熟悉，但不应被忽视——尤其是在处理机械密封时。

弹性体在机械密封中的工作原理

橡胶密封件有各种形状- o形圈，杯形垫圈，波纹管隔膜，密封/雨刷唇和许多其他。它们分为静态或动态，并对表面产生正压，以消除或控制液体和/或气体的泄漏，同时防止灰尘和污垢等外部污染物的进入静态密封发生在没有相对运动的相邻表面之间，例如泵壳和泵盖之间。由于摩擦磨损和热的产生，动态密封不太直接，发生在相对于另一个连续或间歇移动的相邻表面之间，例如泵壳和轴之间。

在机械端面密封中，弹性体往往处于次要地位，因为主密封(机壳和旋转轴之间的动态密封)是由一对更硬的、研磨平整的密封面之间的滑动接触实现的，其中一个固定在机壳内，另一个随轴旋转。在许多设计中，橡胶在每个密封面和相邻表面之间提供二次密封。其中一个密封面是固定的，使用o形圈或杯形垫圈进行静态密封。另一种是弹簧加载的，需要半动态密封来适应轴向作用，例如在推推式机械密封中使用动态o形圈，或在非推推式机械密封中使用弹性波纹管。这些半动态应用(包括弹性体的弯曲和滑动)对于通过端面磨损、轴运动等保持端面之间的适当接触至关重要。

虽然密封端面对往往是最关键的设计特征，但机械端面密封通常用于最苛刻的应用。

橡胶技术在径向唇密封中表现突出，与机械密封相比，径向唇密封的典型应用具有较低的压力-速度(PV)值。然而，柔性弹性体唇必须能够承受轴/孔旋转、往复或两者结合的相对运动。除了标准的设计和尺寸之外，还存在许多定制和专有方法。最简单的设计依赖于单个橡胶唇的固有弹性，尽管常见的改进包括多个密封唇，在密封唇上方的凹槽中安装一个周向吊带弹簧，以保持与轴的接触，以及一个辅助雨刷唇或“排除器”，以防止研磨性灰尘或碎屑破坏主密封面。为了提高旋转应用的使用寿命和性能，可以在密封唇的背面以定制形状的挤压形式添加单向或双向流体动力泵辅助装置，以将泄漏的流体返回到密封界面，增加唇润滑并降低工作温度。

橡胶的好处

弹性体的定义为橡胶获得弹性密封质量提供了初步的认识:“一种大分子材料，在硫化状态和室温下，可以重复拉伸到至少两倍的原始长度，并且在释放应力时，将立即恢复到大约其原始长度。”²

当橡胶被待密封间隙的相邻表面挤压时，它具有可塑变形的特性，并在应力作用下形成每个表面的形状，并在试图恢复其原始尺寸时对这些表面施加一个力。弹性体由称为聚合物的大分子组成(来自希腊语“poly”意为“许多”，“meros”意为“部分”)，它们是相同或不同重复单元的长链，称为单体，通常由碳-碳键连接在一起(最显著的例外是有机硅弹性体，由硅-氧键连接)。软塑料和硬塑料也是由聚合物组成的。然而，聚合物链中单体的规律性允许相邻片段排列并形成晶体，使大分子塑料材料刚性和无弹性。

人们可以通过破坏聚合物链的规律性来防止这种结晶，通常会产生一种粘性的“口香糖”，很容易形成模具。在分子水平上，聚合物链类似于意大利面状的链相互流过。

在硫化或固化过程中，粘性液体用硫或过氧化物和其他硫化剂加热，聚合物链之间形成交联，用化学键将它们连接在一起，将胶转化为有弹性的热固性固体橡胶，在适度变形后仍保持其形状。

除了基础聚合物和固化体系成分的选择和制备外，配制最终橡胶产品(也称为复合)还涉及其他五大类成分，这些成分的百分比以每百份橡胶(phr)表示。填料包括各种粉末，增稠聚合物混合物，提高强度和耐磨料，并降低最终成本。增塑剂是油和其他液态碳氢化合物，可降低粘度以简化加工，软化最终化合物，并在某些情况下提高低温性能。工艺辅助剂是低浓度添加的专门化学品，以改善混合、流动特性和最终外观。抗降解剂保护橡胶免受环境的破坏。最后，可为特殊目的添加各种杂项成分，包括发泡剂、染料、杀菌剂、阻燃剂、磨料、润滑剂和导电颗粒。加工这些成分的简化描述包括通过切向或互啮合搅拌机混合，形成所需的形状并硫化成最终产品。

选择合适的橡胶

通过咨询密封制造商，可以方便地从20多个弹性聚合物家族及其不同的性能和成本中进行选择。该过程首先列出橡胶将暴露的性能要求和环境条件。密封流体的化学成分、温度范围、压力范围、相对运动的频率和速度、润滑和磨料的存在程度以及其他几个相互依赖的设计变量必须考虑在内。典型的弹性体性能描述符包括耐化学攻击，如油、极性溶剂、酸、碱、火焰和氧气/臭氧;温度等级(高、低);耐高温和耐油胀(根据ASTM D2000等级/命名系统)。挑战更特定于应用程序的设计约束可能不是不可克服的。

例如，如果唇密封不可避免地缺乏润滑，导致摩擦热积聚而过早失效，则可以通过石墨、聚四氟乙烯(PTFE)或其他干性润滑剂添加到橡胶复合物中。

聚合物结构的进一步描述有助于橡胶的选择。打破聚合物链的规律性并阻碍结晶形成刚性塑料的一种方法是在主链上添加分子分支段或侧基。

当特定的侧基对典型的非极性烃主链产生部分静电荷或极性时，弹性体就会变成极性更强的物质。物以类聚。因此，当天然橡胶(NR)或合成聚异戊二烯(IR)等非极性弹性体浸在非极性石油中时，它们会相互溶解，导致弹性体膨胀、软化和弱化。氯丁橡胶(CR、氯丁橡胶)具有一定的极性，对石油流体具有一定的抗性，而丁腈橡胶(NBR、丁腈橡胶)的极性相对较高，因其耐油性而得到广泛应用。

丁腈橡胶的变体包括氢化丁腈橡胶(HNBR)，其特点是改进了耐热性和动态性能，以及羧化丁腈橡胶(XNBR)，其比丁腈橡胶更坚韧，但更容易压缩固化。

另一种防止晶体形成的方法有助于区分弹性体。在聚合物链上添加双键或不饱和，同样可以促进弹性，在这种情况下，通过提供交联发生的反应位点，也有助于硫化。然而，硫化后剩余的不饱和往往降低耐热性，并为氧气、臭氧和辐射的攻击提供反应位点。乙丙二烯单体橡胶(EPDM)缺乏这些双键，比大多数通用弹性体具有更好的耐热性和耐臭氧性。氟取代氢消除了不饱和，增加了极性，从而产生了氟碳弹性体(FKM)，具有极高的耐高温性和优异的耐油和耐燃料性。其他氟碳化合物变体包括四氟乙烯共丙烯(FEPM)，对高压蒸汽、胺和酸原油的耐受性显著提高，以及全氟弹性体(FFKM)，其结构完全缺乏任何氢原子，并以相应的更高成本提供更大的耐热性和耐化学性。

安装和设计变量

许多弹性密封装置是高度工程，精密成型的产品，其使用寿命取决于适当的设备检查，处理，安装，启动和环境控制。根据所使用的密封类型，可能适用于槽尺寸、轴向运动、轴偏转、轴跳动、密封腔面跳动、密封腔孔同心度和其他设备特征的尺寸检查。

为了避免在高压应用中挤压橡胶，密封表面之间的间隙应尽量小，并且/或可以在低压侧安装更刚性的支撑构件，如备份环。

应检查孔边引线、轴端、花键和键槽。橡胶密封件应防止所有锋利的边缘和工具。特别是在动态应用中，密封接触区域内适当耐腐蚀的轴合金、涂层或套筒材料的表面光面应无加工缺陷，且应在10至20微英寸(μin)之间。粗糙的表面加速磨损，光滑的表面防止在密封界面形成润滑流体膜。

在安装o形圈时，应轻轻涂上兼容的润滑剂，确保拉伸均匀且小于自由直径的50%，并避免任何扭曲。安装唇形密封时，应预先润滑密封唇，使用合适的安装工具，有控制地使用，将工具或密封垫底，避免翘起，并检查零件是否有过盈。

密封故障处理

在分析失效的弹性密封件时，化学不相容和暴露在过高的温度下会导致一些类似的症状，包括硬度、开裂、挤压和压缩。

肿胀更多地与化学不相容有关，由于暴露于过大的压力也可能发生挤压。挤压、压缩、割伤或磨损以及机械损伤或磨损也可能是设备问题的迹象，包括过大的挤压间隙、过度压缩、尖锐的边缘和不适当的表面处理。

弹性体破裂通常是由于爆发性减压造成的，快速减压会使渗透到橡胶中的气体剧烈膨胀。通过选择现代的氟碳化合物或全氟碳等级，有希望避免由于油和其他成分的不那么剧烈的排气而导致的真空性能下降。潜在的失效模式还包括弹性体本身对周围部件的损坏，如微动、槽过填导致的断裂等，这是材料和/或尺寸不当的症状。

鸣谢:芝加哥橡胶集团有限公司，美国化学学会橡胶分部的一个分部，作为内容的参考。

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参考文献
1 -欧姆，R. F.(编)。(1990)。范德德橡胶手册(第13版)。康涅狄格州诺沃克:R.T.范德堡公司。
2 -德尔·维奇奥(编者)。(2003)。橡胶技术基础“，”阿克伦，OH:技术咨询服务，与美国化学学会橡胶部门联合并代表出版。

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