某型液压泵机械密封结构改进 陈晨

某型液压泵机械密封结构改进陈晨
摘要：机械密封也称作端面密封，是由一对或数对动环与静环组成的平面摩擦副构成的密封装置，广泛应用于泵、马达类产品中。

某型液压泵的轴尾机械密封结构在工作300h～500h时，基本均出现了漏油超标（要求不大于5mL/h）的现象。

漏油故障导致外场计划外维修，影响了部队的装备完好率。

本文对该液压泵机械密封结构分析，查找漏油故障原因，并针对性地提出改进方案。

关键词：液压泵；机械密封；结构改进
1 原轴尾机械密封结构
1.1 结构及工作原理
图1 泵结构示意图
液压泵轴尾密封结构见图1。

产品工作时，传动轴通过花键驱动斜盘运转，斜盘通过平台配合带动密封座（动环）旋转；密封座同时作为补偿环，在密封弹簧的弹力（通过安装在密封座内部的垫片和密封圈2的作用）作用下贴合到密封环（静环）端面，形成机械密封。

密封圈1起动辅助密封的作用，非本文研究重点，故不多赘述。

1.2 漏油产品分解检查情况
对存在漏油超标现象的液压泵轴尾进行分解，检查发现密封座平台卡滞在斜盘平台上磨损的槽内，且难以取出，分解后检查斜盘与密封座在平台接触位置均有不同程度的磨损，形成了一道沟槽（见图）。

图2 密封座与斜盘平台接触位置均存在磨损
1.3 原因分析
根据机械密封的工作原理，密封座作为动环（补偿环），需要在产品运转时应及时补偿运转跳动、磨损等引起的贴合间隙。

当密封座因平台磨损而卡滞在斜盘磨损形成的沟槽内，无法在密封弹簧弹力作用下与密封环完整贴合，密封座的补偿作用失效，导致机械密封漏油。

本液压泵采用了单平台驱动的结构，即由斜盘平台驱动密封座平台旋转。

由于设计和制造间隙的存在，两平台之间理论上就是平台一侧的线接触驱动。

密封座平台的轴向宽度仅1.2mm，因此接触线长度也仅1.2mm。

产品在外场使用过程中，受机上振动环境作用，以及产品起停、转速变化的作用，使得平台接触部位存在频繁的接触-脱离冲击现象，密封座与斜盘平台接触位置产生较大的冲击应力。

由于斜盘与密封座表面硬度均在HRC60左右，在此条件下，两平台将互相磨损。

磨损逐步加剧，两平台之间的不平行角度将加大，进一步加大了冲击间隙和冲击载荷，斜盘轴颈处磨损成凹槽（见图3）。

密封座的平台落入斜盘平台磨损形成的凹槽，导致密封座卡滞、无法轴向运动，即失去了轴向补偿功能，密封环与密封座的接触面之间出现缝隙，最终导致轴尾漏油超标。

2 同类型机械密封结构分析
2.1 结构分析
图3 同类型密封结构
另一型号液压泵存在类似机械密封结构，但存在一定的区别：斜盘驱动密封
座（动环）并不是通过斜盘和密封座上配对的平台，两个零件上均无平台结构；
而是密封弹簧的两端均有伸出“腿”，分别卡入斜盘和密封座上专门设计的开口槽，以此，斜盘可以通过密封弹簧驱动动环（图）。

密封弹簧既具备压缩弹簧的功能，也具备扭簧的功能，这样，密封弹簧的扭簧作用也对液压泵的起-停和转速变化在斜盘和动环之间形成了“缓冲”的作用。

2.2 存在的问题
该类型轴尾密封结构的液压泵产品在外场累计（500～600)h时，也存在轴尾
漏油超标情况，分解检查发现密封圈2内侧磨损。

更换密封圈后，漏油现象消失。

2.3 原因分析
通过对多台产品漏油现象分析和验证，该类轴尾密封漏油超标的原因是密封
圈2的磨损，产生机理为：密封座与密封环存在一定的摩擦力矩，因此产品在起-停、转速变化时，密封弹簧（扭簧）在借助斜盘对密封座的驱动中必然存在一定
的扭转，因此密封座与斜盘的瞬时转速不能完全同步，导致密封圈2在斜盘轴表
面上产生相对转动；密封圈2和斜盘轴径形成动密封型式，复核密封圈2的压缩
量为10%～17%，较机械密封设计中该类型辅助密封（O形密封圈同时受径向和
轴向压缩）4%～5%的设计要求偏大[2]。

产品长期工作后，密封圈2内侧磨损加
剧压缩量下降，进而导致密封失效引起产品漏油超标。

3 改进的轴尾密封结构
3.1 改进方案
通过对上述两种轴尾密封结构进行分析，可见第二种轴尾密封结构仅存在密
封圈2磨损问题，稳定性相对较高。

因此，在第二种轴尾密封结构的基础上，本
文提出了一种“密封圈+保护帽”的组合密封结构来解决密封圈磨损问题。

（1）密封圈2的改进
新增保护帽，将密封圈2改为“密封圈+保护帽”的组合密封结构（如图）。

保
护帽材料选用耐磨损性较好的填充（玻纤）聚四氟乙烯材料，具有较高的耐磨性
以及较低的摩擦系数，该设计避免了密封圈2和斜盘轴之间的相对运动对密封圈
2造成的磨损。

图4 组合密封示意图
（2）密封座的改进
密封座改为无平台结构，并增加一Ⅱ型[3]（HB/Z 4-1995）密封沟槽，即将弹
簧垫片组合设计，使密封圈2所处“变宽槽”为定宽槽，避免密封弹簧弹力加剧密
封圈2以及保护帽的变形以及磨损，如图所示；
图5 密封座取消平台
（3）斜盘的改进
图6 斜盘取消平台
斜盘取消平台结构（见图）。

（4）密封弹簧的改进
图7 密封弹簧增加引脚
密封弹簧改为有双引脚结构（见图）。

3.2 改进后的轴尾密封结构
改进后的轴尾密封结构如图所示。

改进后的轴尾密封工作原理同第二种密封
结构一致，但是密封圈2处辅助密封改为组合密封，以提高密封件的耐磨能力。

图8 改进后的轴尾密封结构
4 改进方案验证情况
为验证改进方案是否合理、有效，特加工试验件，并开展耐久试验以及功能
振动试验工作加以验证。

验证工作中，耐久试验按照GJB2188A-2002中的耐久试验载荷谱开展1200h，试验过程中检测无漏油超标现象（未成滴)。

功能振动试验依据GJB150.16-1986开展，每个轴向2h，试验过程中检测无漏油超标现象（未成滴)。

试验后对产品进
行静压密封测试，无渗漏。

5 结论
（1）通过分析液压泵原机械密封结构，确定由于密封座与斜盘驱动平台处之
间发生磨损，导致密封座卡滞，密封座的补偿作用失效，无法与密封环完整贴合，导致机械密封漏油；
（2）基于一种同类型密封结构，并针对原产品机械密封问题，提出了一种组
合密封替代密封圈的改进方案；
（3）根据改进方案，加工试验件，并通过开展耐久试验以及功能振动试验，
充分验证了本改进方案合理、有效。

参考文献：
[1]成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社，2009
[2]陈德才,崔德容.机械密封设计制造与使用[M].北京:机械工业出版社，1993
[3]中国工业总公司.O型密封圈及密封结构的设计要求:HB/Z4-1995[S].北京：中国工业总公司第三〇一研究所，1996
[4]中国人民解放军空军标准化办公室.飞机变量液压泵通用规范.GJB 2188A-2002[S].北京：总装备部军标出版发行部，2003。