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    来源:本站 点击数:4304次 更新时间:2016-5-11 10:15:06
    前言
      小编想借以此文让大家了解气体泄漏的原因,从而在设计和制造过程中针对性的做出事前控制和事后补救相关措施,尽可能的减小气体泄漏量或者是泄漏几率。
      充气式开关柜通常指的是将高压开关设备及其一次带电元件封装在一个相对密闭的空间中,这个密闭空间通常有实现绝缘或者是熄灭电弧等相关能力超过普通空气的绝缘介质,且这一介质通常是气体形态存在。而在配电系统中的充气式开关柜。这类充气柜采用的绝缘介质有干燥空气、氮气、氮气混合气体、纯六氟化硫(SF6)气体等。本文主要介绍采用SF6气体作为绝缘介质和/或电弧熄灭介质的充气柜密封结构设计,文中简称充气柜、气体。

    1,密封原理
      充气柜中的气体通过密封环节渗到产品密封箱体(下文称外壳)外部的现象称之为泄漏,泄漏的基本形式有通过密封部位接触面、密封件本体等形式。简单理解就是:密封件本体原因和结构间隙造成气体的泄漏(外壳材料原因不在本文考虑之列)。
      “O”形密封圈是一种截面为圆形的橡胶圈,因其截面为圆“O”型,故称其为O型密封圈。是液压与气压传动系统中广泛使用的一种,主要用于机械部件在静态条件下防止液体或气体介质的泄露。安装时径向或轴向方面的初始压缩,赋予O型密封圈自身的初始密封能力。由系统压力而产生的密封力与初始密封力合成总的密封力随系统压力的提高而提高。O型密封圈在静密封场合,显示了其独特突出的能力。然而在动态的适当场合中,O型密封圈虽然也有应用,但它受到密封处部件的运动速度和承受压力的能力限制而使用不多。
      图一中,被打上小方格的区域为被安装在密封结构槽内的橡胶O型密封圈实体部分,其上方水平直线为压紧部件的边界,其下方U型线条为密封槽结构部件的边界。槽内空余部位方向假定为与充气柜内部有直接气体通路的部分腔体,可以理解为密封圈收到气体压力作用而被挤压到槽非压力一侧的结果(实际安装时通常不会有图示中这么夸张的空腔体,仅为清楚显示状态)。

    图一

      O型密封圈借助压紧变形后的橡胶弹力F使密封圈和密封面相互紧贴靠近,产品内部气体压力P0在密封圈上形成压力F0,F0在密封圈本体上存在一个与密封面垂直的法向力F0',这一作用力总在促使密封部件结构面与密封圈分离,作用力F与F0'的合力被称之为次密封结构面的密封力。由于F的作用力主要来自于密封圈本体,由于温度的变化,F的值显然存在非均匀性改变,同时,如果设计的密封圈的压缩量不合理,从而导致F的量值不能满足克服F0的另一分力F0"时,显然容易导致密封在常温或者低温状态时密封圈与密封表面的微观上分离进而出现气体泄漏。

    2,影响密封效果的限制因素
    结合前述结构和压力分析,不难厘清充气柜密封泄漏的基本限制因素和控制方向:

    A)密封圈本体压缩量/压缩率的影响
      减小密封圈与法兰分离间隙(压力F方向)、增加密封圈与法兰接触面宽度(压力F0"方向)是减小泄漏的重要因素。当压力(P0)一定时,增加密封圈的压缩率(增加F)显然可以减小分离间隙甚至为零,但是密封圈的压缩率不能太大,否则就会造成永久变形反而降低密封圈使用寿命。
    合理的O型圈压缩率
    密封材质/面结构 压缩率(%)
     金属-金属法兰  25
     瓷件-金属法兰  30

    B)密封面表面粗糙度的影响
      静态密封结构中,早期曾流行“越光越好”的设计与制造加工思想,因此密封面都想通过合理工艺获得近似于镜面的效果。不过后期的实际使用效果证实,在合适的表面粗糙度范围内反而对气体密封效果的提升有很大效果。实际证明,在表面粗糙度3.2~6.3范围内,橡胶型密封圈与密封表面的弥合度很好,特别是采用同心圆刀纹结构获得的表面光滑度是很理想的。

    C)密封槽的影响
      密封槽一般设计为矩形端面,当然也有其他有利于工艺施工的设计结构。这其中,主要因为法兰密封表面因为切削加工的平面度或者是焊接变形问题,都会直接影响装配好的密封结构,这些因素直接导致两法兰面之间总存在微观上的间隙。由于这一间隙的存在,在密闭压力(P0)的作用下,橡胶圈有被挤入进而造成一些不必要的永久变形的可能性。
      通常槽宽应略大于密封圈的线径,且密封槽的截面积不应小于密封圈的截面积,使得密封槽总有一定的空腔存在(如图一)。这样一来既保证了橡胶圈只能变形而不会出现体积上的压缩,有保证了密封圈在工作压力下的变形趋势(图一中水平直线与U型槽口之间的溢出部分网格结构)。

    D)密封圈材质的影响
      影响因素有两种:硬度适中(邵氏硬度70左右)、压缩永久变形。通常要求橡胶密封圈的硬度不能太高也不能太低——太高密封面的弥合性较差、太低则密封压力不足,同时应该在其使用温度范围内的变形量保持在20%左右。

    E)管理因素
      首先是原材料应该按照技术要求控制质量妥善保管谨防变质,其次应该严格执行图纸和工艺规程要求并按图检验,第三应该确保密封部件/部位的保管符合相关规范,提防碰撞划伤和侵蚀,第四点则是加强组装过程中的自主检验,发现密封面损伤件应该拒装,仔细清理密封面、确保密封面的清洁度。

    3,静密封结构
    根据使用经验,O型圈直径和线径的配合应符合下表相关指标参数
    O  x         
     1.9 <14 5.7 60 - 300 
     2.4 16 - 26   8.4  200-600
     3.5  2856  10  600-1500
    <>材质的选用
      NBR/丁腈橡胶:应用于石油系液压油、甘醇系液压油、汽油、水、硅润滑脂、硅油等多种介质中使用。是目前用途广泛、成本低的橡胶密封材料。
      SIL/硅橡胶:具有优秀的耐热、耐寒、耐臭氧、抗老化等性能。有良好的绝缘性。但是抗拉强度比一般橡胶差,且不具耐油性。适用于家用电热水器、电熨斗、微波炉等家电,也用于如水壶、饮水机等。不建议在大部分浓缩溶剂、油品、浓酸和氢氧化钠中使用。
      VITON/氟素橡胶:耐高温性优于硅橡胶,有优秀的耐候性、耐臭氧性和耐化学性,但耐寒性不佳。对于多数油品、溶剂都具有抵抗能力,尤其是抗酸类、脂族烃及动植物油。可用于柴油发动机、燃料系统及化工厂的密封需求。
    EPDM/三元乙丙橡胶:有很好的耐候性、耐臭痒性、耐水性和耐化学性。适用于醇类及酮类,还可用于高温的水蒸气环境的密封。适用在卫浴设备、汽车散热器及汽车刹车系统中。
      FFKM/全氟橡胶:非常优秀的耐化学腐蚀性能,耐碱、酮、酯、醚、强痒化剂等绝大多数已知的化学品。通常用于解决复杂环境的密封问题,价格比一般橡胶材质的高出近百倍。

    4,动密封结构
      动密封通常用在旋转密封或者是摆动密封、轴向运动密封等有运动部件但是又有密封要求的部位。充气柜产品通常有操作机构的联接部位密封结构。
    a)骨架油密封系统
      骨架油密封系统广泛使用的是一种唇型橡胶密封圈,这种密封件外圈内设有金属骨架、有弹簧箍在胶圈内圆的唇边,动态密封性良好。其主要特点是结构简单、尺寸不大。实际使用时通常采用多圈重叠使用以增加密封的可靠度:一圈的唇边朝向大气侧,一圈的唇边朝向充气柜内(参见图二)。


    b)密封性能控制因素
      显然,这里和平面静止密封一样依赖于密封圈的性能和结构表面处理问题,同时又处于运动状态下的摩擦温度与压力的双重考验,显然对橡胶圈在高低温下的稳定能力或者叫弹性应变能力要求更严。
    设计控制参数标么值 
     h1 h2h3  R1  R2  D1 
          0.6  2 0.20  15 20
          1  3 0.16  25060
          1  3 0.16 65 

      按照表中标么值选定运动部件的轴径及选定密封圈的高度,然后按照相关公式计算密封圈外径、内径、密封槽外径:
    D2=D1-F•h1
    D3=D2+2h1
    D4=D3-0.3

    公差控制:
    D1= - 0.05
    D2= ± 0.15
    D3= + 0.2
    D4= + 0.08
    密封槽表面粗糙度:3.2
    密封圈硬度:75
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