圖1　傳統橡膠包覆骨架油封

Fig 1　Traditional rubber coated skeleton oil seal

為克服橡膠骨架油封的泄漏問題，美國Mather National等公司在20世紀70年代先后研制成功用填充聚四氟乙烯材料制作的油封(見圖2)。

圖2　聚四氟乙烯油封

Fig 2　PTFE oil seal

1　聚四氟乙烯特點

2　PTFE油封的發展過程

圖3　第四代PTFE油封
Fig 3　Fourth generation PTFE oil seal

圖4　第五代PTFE油封
Fig 4　Fifth generation PTFE oil seal

不同的PTFE 油封結構型式，適應于不同的應用場合，比如：高壓場合選擇雙唇結構，帶防塵唇的結構主要用于灰塵多的場合，而雙向唇結構用于密封2種不同介質的場合。

3　國內外PTFE油封研究狀況

3.1　國外PTFE油封研究狀況

目前，國外已經有比較成熟的聚四氟乙烯油封產品運用于航空發動機、汽車發動機及螺桿式空氣壓縮機等領域，國外從事該方面研究的著名公司有瑞典的特瑞寶、美國的卡勒克及法國的圣戈班等。

3.1.1　密封材料

特瑞寶公司的PTFE油封為特康泛力PDR系列，密封材料是在經過檢驗的TURCON材料基礎上開發一系列特殊改性的材料，優化了摩擦和磨損特性，能夠提供優良的密封性能，尤其適合于高速的圓周運動，可應用于有油、少油及無油等工況，在食品、化工、制藥及半導體等行業得到廣泛應用。代表的牌號有：T25、T40、T78及M83，主要填充材料有碳纖維、玻璃纖維、芳香族聚合物、潤滑劑及顏料。美國的卡勒克公司的PTFE油封為PS-SEAL系列，密封材料采用了該公司專利改性PTFE材料——GYLON，該系列產品是專門為高轉速、高壓力以及強腐蝕工況設計的，普通橡膠通常無法滿足要求。主要填充材料有碳纖維、玻璃纖維、硫酸鋇、二硫化鉬及Econol。

3.1.2　密封結構

卡勒克(Garlock)及特瑞寶(Trelleborg)的PTFE油封的結構相對比較多，包括單唇、雙唇(同向及反向)等，其主要結構如圖5、6所示。

圖5　卡勒克PTFE油封結構示意圖

Fig 5　The sketch map of PTFE oil seal structure of Garlock (a)>PTFE oil seal with two lips of identical directions;(b)PTFE oil seal with two lips of opposite directions;(c)PTFE oil seal with one lip; (d)PTFE oil seal with one lip of opposite direction

圖6　特瑞寶PTFE油封結構示意圖

Fig 6　The sketch map of PTFE oil seal structure of Trelleborg (a)PTFE oil seal with one lip;(b)PTFE oil seal with two lips of identical directions;(c)PTFE oil seal with two superimposed lips;(d)PTFE oil seal with two lips of opposite directions;(e)PTFE oil seal with one dust lip

從圖5及圖6可以看出，兩家國外公司的PTFE油封提供了多種結構形式，用戶可以根據產品使用工況(壓力、防塵等)，選擇不同的PTFE油封結構。兩者最大的差別在于，特瑞寶的PTFE油封，唇口內壁刻有“反旋螺紋槽”，屬于第五代油封，而卡勒克PTFE油封以第四代無“反旋螺紋槽”為主。

3.2　國內PTFE油封研究狀況

3.2.1　密封材料

廣州機械科學研究院是我國機械行業技術歸口單位之一，從20世紀80年代初就開始從事PTFE研究和產品開發工作，負責過國家“六五”、“ 七五”、“八五”相關PTFE材料的科技攻關項目。其中，在“十一五”國家科技攻關項目中承擔了“重大冶金裝備AGC油缸密封件關鍵技術研究”，開展AGC油缸PTFE組合密封研制，目前產品廣泛應用于國內多家大型鋼鐵廠中；“十二五”承擔了國家科技攻關項目“大型及行走式工程機械密封關鍵技術研究與應用”的子課題“PTFE材料及成型工藝技術研究”，為“三一”、“徐工”、“廈工”等工程機械企業提供PTFE密封產品。自2000年以來，廣州機械科學研究院先后承擔科技部技術開發研究專項、廣東省科技攻關項目、廣州市科技計劃項目、廣州機械科學研究院基金項目等十幾個項目，完成了PTFE油封、PTFE油缸密封、長壽命無油潤滑高壓壓縮機密封件、聚合物納米復合材料及高性能PTFE摩擦密封件、高精高速高效機床用導軌軟帶等的研制和批量生產，積累了豐富的研究經驗。

2010年，廣州機械科學研究院完成廣東省科技計劃項目“發動機等高溫高速高壓設備用PTFE油封的研制” ，順利通過驗收，其技術指標如表1所示。

表1　發動機等高溫高速高壓設備用PTFE油封技術參數

Table 1　PTFE oil seal parameters for high temperature,high speed and high pressure equipment of engine

3.2.2　密封結構

國內研制的PTFE 油封主要應用于汽車發動機行業及螺桿空氣壓縮機行業，汽車發動機油封旋轉速度更高，而螺桿空氣壓縮機油封承受的壓力大。國內關于螺桿空氣壓縮機油封結構的資料極少，結構設計時除了考慮唇口高速旋轉外，必須保證唇口的承壓能力。

廣州機械科學研究院從20世紀80年代初就開始從事PTFE材料研發和結構研究工作，自2008年開始承擔廣東省科技計劃項目“發動機等高溫高速高壓設備用PTFE油封的研制”。在項目研究過程中，利用有限元分析方法，結合臺架試驗驗證，形成了具有獨立自主的知識產權的PTFE油封材料配方及結構設計專利(見圖7)，并制訂相關的企業標準、PTFE油封臺架試驗方法、PTFE物理性能檢驗規范及PTFE油封產品生產工藝。

圖7　廣州機械科學研究院PTFE油封結構

Fig 7　PTFE oil seal structure and appearance of GMERI

上海捷贏密封技術有限公司引進意大利派福特集團的技術，在PTFE油封研究及推廣方面處于國內先進水平，其主要產品的結構見圖8。

圖8　上海捷贏PTFE油封結構示意圖

Fig 8　The sketch map of PTFE oil seal structures of Shanghai Jieying

3.3　國內外PTFE油封的差距

20 世紀80 年代后期，PTFE 油封的研制工作才在國內部分汽車配套廠家開始起步，由于基礎薄弱，再加上起步晚，又無驗證手段，因此國內PTFE油封的技術水平與國外相比，差距是全方位的，主要表現在：

(1)外觀方面，無論是金屬沖壓骨架的外觀，還是PTFE密封內唇口的“反旋螺紋槽”紋路的清晰度方面，國產PTFE油封的外觀與進口件依然有較大差距。

(2)材料配方方面，由于國內從事PTFE密封材料配方研究的單位很少，而能從事高速PTFE油封密封唇口專用料配方研究的單位更少，再加上國產件推廣應用緩慢，因此材料配方研發的整體水平與國外有一定差距。

(3)有限元分析方面，國內從事橡塑密封有限元分析研究起步于21世紀初，目前能夠掌握橡塑密封有限元分析應用軟件的單位很少，尤其是掌握高速PTFE油封有限元數值分析應用軟件的單位更少，有限元分析軟件應用水平相對較低，尚處于起步階段。

(4)壽命驗證方面，目前國內的油封試驗臺，最高轉速一般在10 000 r/min，油封唇口的線速度一般不超過30 m/s，與真正意義上的高速油封的線速度差距明顯。由于不具備驗證手段，結構研究、材料研發及有限元分析結果是否與實際吻合不得而知，因此是否需要改進無判斷依據，如何改進更無從談起。

4　PTFE油封的發展趨勢

由于PTFE油封卓越的性能，并且與普通橡膠油封有互換性，因此它在苛刻工況下取代橡膠油封是必然趨勢。

在目前的航空發動機傳動附件中，其傳動軸上的PTFE油封不僅要求承受一定的壓力，而且對唇口的速度及溫度要求也越來越高。隨著航空業的飛速發展，最高轉速及最高瞬時溫度的進一步提高將是必然趨勢。由此可見，運用有限元分析方法，優化PTFE油封的密封結構，研發適合的材料配方，結合模擬實驗臺架驗證，將是高速、高溫PTFE油封未來需要攻克的關鍵點。

4.1　PTFE油封總體方案設計

今后，PTFE油封總體技術方案應該從流體動力學分析、結構深層次研發、唇口材料的深層次應用及臺架試驗驗證4個方面入手(見圖9)，針對改善高轉速下油封的跟隨性、高溫下唇口過盈力的保持及降低高線速度下唇口磨損3個方面進行重點技術研究，通過對油封腰部韌性、唇口回復性及油封潤滑狀態等核心技術要素的控制，來保證產品達到使用要求的性能與壽命。

圖9　PTFE油封研究的總體方案圖

Fig 9　Overall scheme diagram for the study of PTFE oil seals

4.2　研究方法和技術途徑

(1)提高高轉速下的油封跟隨性。改善油封腰部結構設計，提高油封腰部的韌性，以改善油封的動態跟隨性能；選用二代氟材料，提高唇口材料的韌性，改善材料的動態響應性能。

(2)保證高溫下的唇口過盈力。選用二代氟材料，合理改性，提高唇口材料的高溫蠕變性能；對唇口材料進行技術處理，提高唇口“記憶”及回復特性。

(3)降低高線速度下的唇口磨損。運用有限元分析工具，進行高速下唇口的流體動力學研究，改善唇口密封時的潤滑狀態，從而減少唇口磨損；降低唇口材料的摩擦因數，提高唇口材料的耐磨性。

5　結束語

由于PTFE材料不僅適用于一般工況條件，而且在高溫、超低溫、高壓、高速和特種介質等工況條件下仍然具有良好的密封作用，因此PTFE油封將一直是高端油封發展的主流，具有非常廣闊的應用前景。

航空及汽車是我國快速發展的產業，高性能的PTFE 油封對這2個產業有重要的支撐作用。目前，在PTFE 油封材料的研究方面，國內與國外比較還存在較大差距，迫切需要加強國內的產學研合作，掌握高速PTFE油封有限元分析方法，開發出一定壓力下的高速、高溫油封試驗臺，研制出具有國際競爭力和自主知識產權的PTFE油封產品，制定出PTFE油封產品及材料的行業標準，規范和指導今后的PTFE油封產品開發。