螺旋弹簧PTFE密封圈的结构、密封原理与特性分析报告

工程塑料

螺旋弹簧PTFE密封圈的结构、密封原理与特性分析
耿志翔，蔡纪宁，张秋翔
北京化工大学机电工程学院

    摘  要：介绍了螺旋弹簧PTFE密封圈的结构、密封原理与特性。通过压缩试验与ANSYS软件对螺旋弹簧PTFE密封圈进行了分析，并与常用密封件的密封效果及应用范围进行了比较。

    关键词：螺旋弹簧；PTFE；密封圈；性能
    随着工业的发展，对密封圈的要求日益提高，新出现的各式各样的新型密封圈替代了原有的一些传统密封圈。其中，螺旋弹簧PTFE密封圈因其良好的密封效果及在一定的恶劣条件下可正常工作而被广泛应用。

    一、螺旋弹簧PTFE密封圈结构与密封原理
    螺旋弹簧PTFE密封圈由螺旋弹簧外包覆聚四氟乙烯（PTFE）构成，如图1所示，外部的聚四氟乙烯在压力P作用下起密封作用，属于自紧式密封，而内部的金属螺旋弹簧主要起预紧作用。
  

图1密封圈结构

    1．常压时，将螺旋弹簧PTFE密封圈装入密封件1与密封件2之间的槽中（如图2)。由于聚四氟乙烯自身特性，通过螺旋弹簧产生一定的预紧反弹力，使整个密封圈与密封件紧密接触，产生弹性接触应力。
  

图2 密封圈工作示意图

    2．密封圈在压力作用下，PTFE材料会向槽两侧发生微量蠕动和弹性滑移，直至紧贴在槽腔的侧面上，此时线接触密封逐渐变大趋于面接触密封。同时在压力P的作用下，内圈弹簧发生变形，产生反弹力，在预紧反弹力和外压作用下产生的反弹力两者综合作用下，在密封面间产生大于被封流体压强的接触应力，完成对密封件的密封。
    工作时，密封接触应力由三部分组成：
    (1)由密封圈外径相对于槽腔内径的过盈产生的接触应力。
    (2）密封圈装配于槽腔，预紧后由介质压力P所产生的应力。
    (3)作用在螺旋弹簧上的径向变形对密封圈的压紧力。故在密封件的工作压力范围内，密封面的接触应力始终大于被密封流体的压强，以确保密封。

    二、螺旋弹簧PTFE密封圈特性
    1．聚四氟乙烯具有极高的化学稳定性，耐热、耐寒性能好，所以螺旋弹簧PTFE密封圈可以在－200~十260℃的温度范围下使用。此外，聚四氟乙烯对化工介质有很好的抗溶胀性，这是橡胶材料无法比拟的。
    2．在聚四氟乙烯与金属间产生相对滑动时，由于聚四氟乙烯比较柔软，在运动过程中填满了金属的凹陷部分，形成聚四氟乙烯之间的相对滑动。因此，其摩擦系数很小，无黏附性（爬行现象），动摩擦系数与静摩擦系数大致相等。与橡胶密封圈相比，螺旋弹簧PTFE密封圈的摩擦系数更小。
    3.螺旋弹簧PTFE密封圈的摩擦系数与速度有关。滑动速度小于0.5m/s时，摩擦系数急剧上升；在速度由0.5m/s增至1 m/s的过程中，摩擦系数上升缓慢；当大于l m/s后，几乎保持不变。
    4．聚四氟乙烯本身缺乏橡胶弹性体那样的弹性，硬度较大，但加人弹簧来施加预应力后，可使密封性能完全满足工况需要。

    三、试验分析后的结论
    为了了解与掌握密封圈的性能、在拉压试验机上进行压缩试验，并在ANSYS软件中进行了建模分析，结论如下。
    1．螺旋弹簧PTFE密封圈具有良好的变形与弹力恢复性能，可在低压紧力下维持密封。对比分析表明，在相同的尺寸与载荷下，它比金属“0”，形圈的变形量大10倍。静密封用的金属“0”，形圈的规定压缩量为20%~25%。为了维持密封，要求金属“0”形圈有更大的压紧力与更高的表面平整度。
    2．按国际标准，橡胶“0”形圈的规定压缩量为10%~19%。分析表明，螺旋弹簧PTFE密封圈可替代标准的橡胶“0”形圈，不需做任何改变。由于螺旋弹簧PTFE密封圈采用了金属材料，也就不存在橡胶的耐温与老化失效问题。
    3.螺旋弹簧PTFE密封圈不仅可替代橡胶与金属“0”形圈，而且通过不同材料的组合，也可应用于其他密封件无法满足的场合，其应用前景非常广阔。

    参考文献：
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    [2]杨建桥，龚福杰，林祥峰．可填充聚四氟乙烯密封材料的研究田．中国造纸，2000,(6):36-38.
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