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密封泄露

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密封與泄露:從NASA挑戰者號爆炸到密封設計
2025.08.07

   密封設計是為了在規定工況下實現可靠的密封性能,即泄漏少、摩擦力小、壽命長。絕對避免泄漏是不可能實現的,這不僅因為物理問題,而且因為經濟性問題。只要存在間隙,盡管很小,都允許流體分子在兩個方向上有通道。密封不是絕對的,只是一個程度問題。    泄漏通常被認為流體向外流過密封到被密封的機器的周圍區域。GB/T17446-2012《流體傳動系統及元件詞匯》中定義泄漏為:不做有用功并引起能量損失的相對少量的流體流動;定義內泄漏為元件內腔間的泄漏;定義外泄漏為從元件或配管的內部向周圍環境的泄漏。    液壓缸泄漏的原因,一是配合零件偶合面間存在間隙;二是偶合面兩側存在壓差(壓力)。內泄漏影響液壓缸的效率、速度及輸出力等,同時使液壓工作介質進一步升溫,也可能引發事故;外泄漏浪費液壓工作介質、污染環境、易引發事故。液壓缸不管是內泄漏或是外泄漏,都可能是很嚴重的事故。


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   NASA航空器挑戰者號的大災難,點火后,管狀殼體的升壓導致殼體突然膨脹。0度以下的外部溫度降低了氟彈性體密封材料的彈性。7mm厚的O形圈未能快速膨脹,致使極熱的燃燒產物穿過中間膩子密封并噴出,且局部燃燒O形圈。最后,從密封上噴出的火焰導致主燃料箱爆炸。通常假設密封明顯剛性結構的O形圈是沒有問題的。挑戰者號災難突出了這一錯誤假設的潛在后果。在液壓閥門和液壓缸上的油噴出后快速升壓引起的泄漏,在某些情況下,甚至很小的結構位移也可能導致彈性體密封的失效。    內泄漏(量)和外泄漏(量)都是液壓缸出廠試驗的必檢項目,具體請參見JB/T10205-2010《液壓缸》及GB/T15622-2005《液壓缸試驗方法》。    密封的作用就是封住偶合面間隙,切斷泄漏通道或增加泄漏通道的阻力,以減少或阻止泄漏。衡量密封性能好壞的主要指標是泄漏率(泄漏量/時間或泄漏量/累計行程等)、使用壽命和使用條件(壓力、速度、溫度等)。    當徑向唇形密封的動態密封能力(向內泵送)失效時,它就會泄漏;泄漏還可由老化、安裝不良或運行因素等引起。彈性體硬化是泄漏的重要原因。硬化可能因過高接觸溫度引起,但低成本材料的過熱也可能因對油池溫度和/或摩擦加熱估計不足引起。硬化妨礙密封唇的彈性和回彈性以及使微觀粗糙組織變形、削弱動態密封機理。最終,脆化導致橋接接觸環帶的小裂紋形成,從而產生泄漏路徑。泄漏還由于密封唇的泡皰而發生。其他主要因素:介質劣化的沉積物,元件老化導致的軸磨損,軸的動態偏心度等等。

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