环形密封衬套结构三维设计

　　做机械结构设计这么多年，碰到过不少回转类设备的密封失效问题，很多时候问题根源都出在衬套类密封件的选型和安装匹配上，这次做的这个环形衬套结构，就是针对中低速回转副的密封与支撑需求设计的。这类环形衬套最常见的应用场景，是各类回转支承的端面密封、液压油缸的导向衬套、传动轴承的端面防尘密封，还有一些低速旋转轴的端部挡圈配套结构，在工程机械、通用输送设备、轻工机械的回转节点里都能用到，主要作用是阻隔外界粉尘、水汽进入回转摩擦副，同时对回转件起到轴向的限位和辅助支撑作用，避免金属部件直接硬接触造成的磨损。从结构设计思路上来说，这个环形件采用了双层复合结构，外层是硬质的支撑基体，内层是接触式的密封耐磨层，两层之间采用过盈压装的方式结合，

　　不需要额外的粘接剂，靠结构本身的抱紧力就能保证两层不会在回转过程中出现相对滑移。设计的时候特意把内层密封层的内径做了比配合轴径小0.2-0.5mm的过盈量，保证装配之后密封唇口能均匀贴在轴的外圆面上，不会出现局部漏缝的情况；外层支撑环的外径则比安装座的内孔大0.1-0.3mm，压入安装座之后能靠过盈量实现自身的轴向固定，不需要额外加定位销或者紧定螺钉，减少了安装工序的复杂度。外形尺寸方面，这个环形衬套的轴向宽度是根据安装腔的深度来匹配的，设计的时候预留了0.1mm的轴向压缩量，装配之后衬套的端面能和安装腔的台阶面完全贴合，不会出现轴向窜动的间隙；内外径的同轴度公差控制在0.02mm以内，保证回转的时候密封层的接触压力均匀，

　　不会出现偏磨的情况，毕竟如果同轴度超差，回转过程中某一侧的密封唇口压力过大，另一侧压力不足，用不了多久就会出现偏磨漏油、进灰的问题。安装边界上要注意，这个衬套适合安装在开式的安装腔里，安装的时候要从轴的端部顺着轴向压入，不能用硬物直接敲击内层的密封层，避免密封层被敲出凹痕或者变形，影响密封效果；压装的时候最好用专用的工装，工装的压合面要同时接触外层支撑环的端面，保证压入的时候受力均匀，不会出现衬套倾斜卡滞的情况。另外在设计的时候特意把内层密封层的端面做了小角度的倒角，一方面是压装的时候能起到导向作用，方便衬套顺利套入轴径，另一方面也能避免装配的时候密封唇口被轴端的锐边刮伤，很多现场装配的密封失效问题，都是因为装配的时候没做导向，

　　密封唇被轴肩的毛刺刮破，用不了多久就出现泄漏。从功能特性上来说，这个双层结构的衬套比单一材质的密封件耐用性更好，外层的硬质基体能承受较大的轴向挤压力，不会因为长期受压出现塑性变形，内层的耐磨层摩擦系数低，和金属轴对磨的时候不会拉伤轴的表面，自身的磨损速率也很低，在常规的工矿环境下，使用寿命能比单一橡胶材质的密封件高两倍以上。还有一点要注意的是，这个衬套的工作温度范围是-20℃到120℃，适合常规的工矿环境，不能用在有强腐蚀介质或者超高温的场合，如果是腐蚀环境的话，需要把外层基体的材质换成不锈钢，内层密封层换成氟橡胶材质，不过常规工况下用普通的碳钢基体加丁腈橡胶耐磨层就足够满足使用需求，成本也能控制在比较合理的区间。做这个模型的时候，把两层零件的配合公差、倒角尺寸、形位公差都在建模的时候做了参数化关联，后续如果需要适配不同的轴径和安装座尺寸，只需要修改对应的参数就能快速生成新的规格，不用重新从头绘制结构，能节省不少变型设计的时间，对于经常做回转类结构设计的工程师来说，这种参数化的标准结构件模型，能大幅提升日常的设计效率，不用每次都重复画类似的结构。