密封技术发展史

’2001上海PTC展览会

技术报告会论文

密封技术发展史

作者：Gerd Lorber(德国）

翻译：董静

密封技术已渐渐发展成为一个专门的课题，而其本身的发展过程及在实际应用中的重要性也确实值得我们去探索和研究。

也许大家对此会十分惊讶，但事实确实如此：早在15世纪，Leonard do Vinci就应用有弹性的材料为当时的提水机制作了“密封件”（图1）。这种“密封件”一直被沿用到1700年左右的阿基米德时代，那时的提水机内又被加入了一种皮制的衬垫，即密封件。尽管这种皮密封件现在已经很少见了，但它仍被应用在某些特殊的场合中。工业上应用弹性材料作为密封件始于19世纪初。1856年，一种圆形的，用弹性材料做成的圈被应用于蒸汽机上。类似的密封技术被载入1886年的法国专利，并被应用到流体泵上。（图2）

图1：Leonard do Vinci的“密封件”图2：1886年法国专利的活塞密封件

关于此类圆形圈的进一步的研究开发和应用，是由丹麦的发明家和机械制造家Niels A. Christensen完成的。他在从1926年到1933年在美国的Midland Steel, GoodYear及ACME公司工作期间，设计了液压缸和与之相配的密封系统，此技术于1930年公开发布。他1933年申请的的圆圈状的密封件获得了1938年颁发的大奖。（美国专利员2.115,383)

然而在实际的应用中很快就显示出了这种

圆形圈（即O型圈）在动态密封（往复运动）

中的局限性。这就导致了有截面形状，且被装

入沟槽中用以防止其移动的密封件的发展。

一个很好的例子就是1940年Douglas的

“三角形密封件”（图3）。这种形状的密封

件曾在当时的航空工业上得到了广泛的应用。

而且至今它还对那些要求在低温下具有高度安

全性和高寿命的密封件的设计有着相当的影

图3：Douglas公司的三角形密封件

响。

派克公司（Parker）是世界上最早生产O型圈和带有截面形状的密封圈的公司之一。早在1947年，派克（Parker)就通过了美国航空工业的种种苛刻的检查，获准为其生产提供密封件。派克的德国分公司Parker-Praedifa更继承了这种传统，且在产品质量方面都有了进一步的发展。

当代的带有截面形状的密封件的起源，都可以追溯到弹性橡胶发明之前，那时由麻类植物，动物皮毛及棉花合成的密封材料被统称为Packing，意为有组成的衬垫。

在1930年，由于传统的液压介质由水改为工业油和其他更加粘稠，且润滑性能更好的介质，导致了密封件材料及其截面几何形状的进一步发展。

应用水作为液压介质的一个生动的例子就是伦敦的塔桥。它建于1885年到1894年之间，并由Wales王子于1894年6月30日正式为塔桥剪彩。塔桥的液压缸由水压机和活塞泵驱动。这种驱动形式一直沿用了许多年，这座“会动”的塔桥及其整套的驱动系统都是由Armstrong Mitchel设计的，并于1890年安装成功。考虑到这座桥的年龄，英国人为其制定了一套严格完整的检修程序，每5年都要对其进行一次彻底的检修，这其中包括对液压缸密封件的检查。在最近的十年中，塔桥平均每年开合450次。今天，这塔桥平均每周开合9次，每次持续12分钟。从塔桥建成至今，在这么长的时间内，它的液压缸及其密封件的工作都非常的安全可靠，从未发生过桥面上升过程中突然落下，砸沉过往船只的事情。（图4）

图4：伦敦的塔桥图5：活塞密封件的发展过程

由于现代工业对密封件提出了越来越高的要求，如体积小，耐高压，有出色的物理化学性能等，这就导致了无论是应用橡胶，还是其他热塑性材料的密封件演变的多样性。（图5）与此同时，针对密封件在不同工作环境下的应用，开发出了许多具有优秀物理性能的材料，由此也产生出了许多不同类型，不同材料的产品。

图6：整套的密封系统图7：活塞密封件：左侧为液压，右侧为气动

图8：PZ短行程气动活塞密封件图9：整合式密封系统

就液压缸来讲，对于一直处于往复运动中的缸体的密封的要求是很高的，要使之保持一层润滑膜，以减少密封件的磨损，又要使之不能有一点泄漏。于是经过多年的探索与实践，产生了一套用几种部件的组合来完成密封和导向等功能的复合密封系统。（图6）所示就是现在比较常用的几种液压缸复合密封系统。

对于液压缸密封系统的要求可大致概括如下：

* 适用于不同的压力介质

* 在高温下仍具有良好的性能

* 抗挤出

* 耐磨损

* 占地小

* 具备除尘功能

* 可在无润滑状态下运行

* 截面形状合理

* 低磨擦（无爬行抖动现象）

随着近年来对液压缸密封系统实践经验的不断增加，随着科研人员和密封件生产厂家对密封技术的研究的不断深入，现在已基本满足各行业在不同工作环境下，对密封系统不同的要求。

另外一个很典型的例子就是在1970年出现的带过度圆角的气动密封件。这个设计使之在它的工作区域的边缘保留了一层润滑膜，并将其应用在无润滑的气压系统中。应用此类密封件，只需在安装时进行一次初始润滑即可。这种设计方式至今还被广泛的采用着。（图7）密封件不仅影响了各类工作缸的适用功能，而且也影响了缸体的设计。现在设计的占地非常小的活塞，活塞杆及整合式密封件已大大改善了缸的行程。(图8）

作为一种整合式密封系统（图9），此类密封件具备完整的导向，密封和除尘等多种功能。这种整合的设计从根本上改变了活塞的密封过程。

现在应用的密封材料已可基本满足现代各行业对各类缸体密封的要求。常用的密封材料有：

* 丁晴橡胶：NBR，

* 氢化丁晴：HNBR

* 氟橡胶：FPM

* 乙丙橡胶：EPDM

* 聚胺酯：AU

* 聚四氟乙稀：PTFE

以聚胺酯材料做成的密封件，已被证明除了在液压系统中有出色表现外，在气动系统中也同样优秀。在可以预见的未来，聚胺酯材料将会得到越来越的应用。表一所示的就是派克（Parker)公司为液压和气动应用而设计聚胺酯材料的物理性能表。

人们为了寻求完美的密封系统已进行了几百年不懈的努力。随着密封理论的更加完善，相信在将来一定会找到更新的，更有效的密封方法。

一个可以预见的密封产品的发展趋势，是集密封功能和导向功能为一体的密封系统，我们称之为整合式密封系统。此类整合式密封件将在不远的将来得到迅猛的发展。

在密封件的发展演变过程中，密封产品的生产制造者为此付出了许多的努力，制造出了许多的产品。正是由于密封系统的重要作用，当我们判断一个液压系统或气动系统的质量时，首要考虑的因素之一便是它的密封性能如何。

表一：派克(Parker)几种常用的聚胺酯材料的物理性能表

　测量标准单位P5000P5007P5008P5009P5010P4300

硬度DIN53505Shore

A

938293939091

密度DIN53479G/cm3 1.20 1.16 1.19 1.16 1.18 1.18拉伸100％时的应力值DIN53504Mpa14512117.510

拉伸300％时的应力值DIN53504Mpa331120181416

拉断时的延伸率DIN53504%(min)400450480480450480

拉断时的拉力DIN53504Mpa553655454358

压缩变形率70h/70C DIN53517%(max)252524272525

回弹率DIN53512%(min)325738474058

抗断强度DIN53515N/mm904070604575

作者简介：

Gerd Lorber先生退休前为派克汉尼芬(Parker Hannifin)密封集团欧洲总部（位于德国的Bietigheim Bissingen)市场部经理，主管密封产品的研制开发，技术支持及市场战略。Gerd Lorber先生现在为派克公司密封集团的特邀顾问。迄今为止，Gerd Lorber先生华几十次，曾在数十个工厂，学校和科研单位就密封技术做过讲座。本文刊登于德国的“流体传动”杂志，期刊号为12-12-00，Verlag-moderne-industric,86895,Landsberg.