机器人轴系骨架油封在低温下唇口过盈量如何补偿？

点击数：1232026-01-09 14:29:19　

　　在低温工况下，机器人轴系密封往往需要在低温环境下长期运行。不少工程案例表明，常温下运行稳定的骨架油封，一旦进入低温工况，渗油、启停磨损加剧等问题会集中暴露，其根源往往并不在装配，而在于唇口过盈量在低温下失去了原有的补偿能力。

　　本文将从多个维度，系统解析低温对唇口过盈量的影响，并提出可行的设计优化策略。

　　低温对唇口过盈量的影响

　　骨架油封的密封性能依赖于唇口对轴表面施加的稳定接触压力。然而在低温环境下，这一平衡机制会受到多重因素干扰：

　　首先，橡胶材料在低温下模量上升，变得更硬，导致唇口柔顺性下降，难以贴合轴面。其次，橡胶、金属骨架与轴之间存在不同的热膨胀系数，温度降低时会产生不一致的收缩，进而影响过盈量的实际效果。此外，低温下润滑油粘度升高，启动阶段难以形成稳定油膜，唇口与轴之间更容易退化为边界甚至干摩擦，导致磨损加剧。

　　需要强调的是，低温导致的密封失效，并非“过盈量不够”这么简单，而是过盈量无法持续输出有效接触压力，从而引发密封性能的系统性退化。

　　过盈量的选择与优化建议

　　在设计中，过盈量是一个需要精确优化的参数。有研究建议将其控制在0.35毫米至0.55毫米之间，以平衡密封能力与使用寿命。而针对某些高负载或高压应用，也有研究认为0.8毫米左右的过盈量更为合理。

　　这表明，过盈量的设定应结合具体工况(如压力、速度)、材料特性、轴径尺寸等因素，通过仿真或试验进行验证与优化，而非一味追求更大或更紧的干涉量。

　　材料选择：以低温回弹稳定性为核心

　　在低温工况下，唇口是否能维持有效过盈量，关键在于橡胶材料的低温弹性与回弹能力。

　　例如，氟硅橡胶(FVMQ)在极寒环境下仍能保持良好的柔顺性和弹性回复能力，同时具备一定的耐油性能，适用于协作机器人关节或寒区传动轴等高柔顺性要求的场合；低温配方的氟橡胶(FKM)则在保持耐油、耐老化特性的同时，改善了低温回弹表现，适合中低温工况下对介质适应性和使用寿命有较高要求的密封系统；氢化丁腈橡胶(HNBR)在低温弹性与机械强度之间取得了良好平衡，适用于中等低温、存在冲击载荷或较高耐久性需求的场合，如户外作业设备或工程机械。

　　因此，材料选择的核心不在于“耐不耐寒”，而在于“低温下是否还能回弹”。

　　弹簧系统：低温下的核心补偿机制

　　在低温环境中，单靠橡胶唇口的弹性已难以维持密封接触压力。此时，弹簧加载结构成为关键补偿机制。

　　理想的弹簧系统应具备足够的有效工作行程，确保在橡胶硬化后仍能提供压紧力；其弹力变化曲线应在低温区间内保持平稳，避免因温度下降而失效；同时，弹簧与唇口结构应协同分担接触压力，提升整体适应性。

　　在极端低温环境中，工程上常采用带有径向箍紧弹簧的唇形密封结构，这进一步验证了弹簧在低温下作为核心补偿元件的重要性。

　　结构设计比“加大过盈量”更重要

　　简单提高初始过盈量，往往在低温启停阶段带来更高的摩擦与磨损风险。更合理的做法是通过结构设计释放弹性，使唇口具备更强的温度适应能力。

　　例如，减薄唇口截面可以降低弯曲刚度，提升柔顺性；延长弹性臂长度有助于增强随动能力，缓解局部应力集中；优化接触角设计则能使接触压力分布更均匀，减少边缘磨损。

　　设计的核心在于：让唇口在温度变化中“能动起来”，而不是被动承受材料性能下降的影响。

　　轴表面状态：不可忽视的系统因子

　　在低温环境下，润滑油膜更难建立，轴表面的状态对密封效果起着决定性作用。

　　优化轴表面粗糙度(如控制在Ra 0.2至0.4微米之间)有助于兼顾油膜附着与密封贴合性能；引入微织构设计(如交叉网纹或微凹槽)可以改善启停润滑条件，提升密封稳定性；同时，应避免表面硬化层剥落或微观裂纹，以防止唇口早期磨损或刮伤。

　　系统视角下的热匹配与协同设计

　　低温下的密封稳定性，不能仅靠唇口设计解决，还需从系统层面进行热匹配与公差控制。

　　这包括轴、骨架、弹簧等部件的热收缩同步性，装配公差在低温下的放大效应，以及润滑剂在低温下的流动性与附着性。只有在系统层面实现热力学与机械结构的协同，才能确保唇口过盈量在低温下持续输出有效接触压力。

　　在机器人轴系低温应用中，骨架油封唇口过盈量的补偿并不存在单一答案。

　　与其一味追求更大的过盈量，不如让密封结构具备持续适应温度变化的能力。这才是低温密封设计中更值得关注的方向。