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       摘要：針對(duì)大型模鍛壓機(jī)液壓缸的特點(diǎn)和技術(shù)條件，設(shè)計(jì)研發(fā)了整套液壓缸密封，解決大直徑、大膨脹量和大擠出間隙的高壓密封問題。根據(jù)對(duì)密封件的使用情況和密封失效的形式，分析密封失效的原因，指出液壓缸設(shè)計(jì)和失效密封存在的問題，提出相應(yīng)的改善措施和更好的密封解決方案，以提高密封的可靠性和使用壽命。

  
       0 、引言

  
      大型模鍛壓機(jī)是衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)實(shí)力的重要標(biāo)志。迄今為止，僅有中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)4個(gè)國(guó)家有類似設(shè)備，最大鍛造等級(jí)為俄羅斯的7.5萬噸和我國(guó)的8萬噸。大型模鍛壓機(jī)主要用于鋁合金、鈦合金、高溫合金、粉末合金等難變形材料進(jìn)行熱模鍛和等溫超塑性成形。其鍛造特點(diǎn)是可通過大的壓力、長(zhǎng)的保壓時(shí)間、慢的變形速度來改善變形材料的致密度，用細(xì)化材料晶粒來提高鍛件的綜合性能，提高整個(gè)鍛件的變形均勻性，使鍛件滿足設(shè)計(jì)要求，節(jié)約材料，是航空、航天及其他重要機(jī)械生產(chǎn)重要鍛件的關(guān)鍵設(shè)備。大型模鍛液壓機(jī)是隨著航空工業(yè)的需要而逐步發(fā)展起來的。目前，我國(guó)的大型模鍛壓機(jī)是應(yīng)用最先進(jìn)的預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞剖分-坎合技術(shù)、機(jī)器人智能纏繞技術(shù)等設(shè)計(jì)而成，解決了壓機(jī)承載機(jī)架、主工作缸、動(dòng)梁等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和制造問題，設(shè)備總體性能達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，是我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重大裝配項(xiàng)目。大型模鍛壓機(jī)具有噸位大、壓制力集中、比壓高等特點(diǎn)。其鍛造比壓可達(dá)到1000～2000MPa。為了實(shí)現(xiàn)如此高的壓制比壓，最有效的方法就是提高液壓壓力，采用超高壓液壓(油壓為60～130MPa)，如此高的壓力，必須解決密封的技術(shù)難題，其主缸密封的保壓效果和可靠性至關(guān)重要，本文將以某大型模鍛壓機(jī)為例，結(jié)合主液壓缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)對(duì)其成套密封進(jìn)行研究分析。

      1 、主液壓缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)

   
     主液壓缸特點(diǎn)：缸筒直徑大，壓力大，沖擊載荷大，偏載大，缸筒膨脹量大，液壓缸的活塞和缸底均設(shè)計(jì)有膨脹環(huán)，缸筒部分與缸底分離，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      
                              圖1 主缸結(jié)構(gòu)及密封溝槽示意圖

      1、2、4-缸底軸向靜密封3、7-膨脹環(huán)端面徑向靜密封5-活塞主密封6、9-導(dǎo)向環(huán)8-導(dǎo)向套靜密封10-活塞桿密封11-防塵圈12-活塞膨脹環(huán)13-缸底膨脹環(huán)A-腔體
   

      與密封相關(guān)的主液壓缸技術(shù)參數(shù)：缸筒內(nèi)徑為2920mm，工作壓力≤60MPa，工作速度≤0.15m/s，介質(zhì)溫度-20~70℃，扭矩約100mN·m，介質(zhì)為液壓油。根據(jù)缸筒材料、直徑、壁厚和壓力等參數(shù)，忽略溫度變化對(duì)鋼材熱膨脹變形的影響，忽略缸體自重及缸筒和缸底摩擦力等影響因素，將鋼絲纏繞部分看成同等材料的實(shí)體鋼材，利用有限元軟件可計(jì)算出主缸在60MPa壓力下工作時(shí)缸筒的膨脹量在2.81~3.22mm之間，再加上裝配預(yù)留的間隙，單側(cè)缸壁與活塞及缸底之間的最大間隙可達(dá)到2mm。

      2 、主液壓缸密封的研究

   
      密封件需克服的技術(shù)難點(diǎn)：
 
    （1）過盈量能夠補(bǔ)償缸筒在高壓下的膨脹變形量；
    （2）避免在高壓下被擠入間隙而破壞；
    （3）加工工藝的可行性和穩(wěn)定性；
    （4）可靠的密封性能。
 
     為保證密封的可靠性，應(yīng)以目前較成熟的密封結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化。

     2.1 主密封
 
    主液壓缸工作時(shí)，尤其是保壓時(shí)，缸體的膨脹量較大，因此活塞主密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)綜合了唇形密封和擠壓型密封的特點(diǎn)，唇形密封過盈補(bǔ)償量大，擠壓型密封則可以提供足夠強(qiáng)壯的密封本體，有利于承受較高的壓力和側(cè)向力。整套活塞密封均采用高強(qiáng)度和高彈性材料，能提供初始的預(yù)緊力，并且能夠在工作過程中持續(xù)跟隨調(diào)整，使用過程中不需要調(diào)整密封腔體的尺寸，不需要進(jìn)行維護(hù)。

    主液壓缸的回程是靠回程缸完成的，活塞桿腔為零壓或低壓狀態(tài)，密封桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為具有彈性補(bǔ)償?shù)腨形和O形彈性體組合的型式，如圖2所示，作用是封堵活塞腔泄漏的油液，防止其滴落在工件上。

     2.2 靜密封

    缸底軸向靜密封（圖1中的1、2、4）與活塞密封承受同樣的高壓。密封件為了起到密封作用，材料需要有較好的彈性，一般比較軟。當(dāng)高壓作用且間隙較大時(shí)，就會(huì)被擠入間隙中，造成啃蝕破壞，最終導(dǎo)致密封失效。材料選擇的局限性是密封設(shè)計(jì)的一個(gè)較大難點(diǎn)，為使密封件克服被擠入間隙造成啃傷，選擇高強(qiáng)度聚氨酯材料，考慮密封需補(bǔ)償缸筒膨脹帶來的溝槽尺寸變化，缸底軸向靜密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圖3a所示結(jié)構(gòu)。

     膨脹環(huán)端面徑向靜密封（圖1中的3、7）和導(dǎo)向套靜密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為圖3b所示結(jié)構(gòu)，內(nèi)外各有兩道密封唇，具有較好的密封效果和防扭曲作用，端面的大倒角，可使密封跟部遠(yuǎn)離擠出間隙，避免擠出。

     2.3 導(dǎo)向環(huán)

   
     主液壓缸工作時(shí)，活塞下端存在較大偏心載荷，因此在活塞和缸蓋處設(shè)置多道導(dǎo)向環(huán)，導(dǎo)向環(huán)由強(qiáng)度較高的一種織物增強(qiáng)的聚酯樹脂復(fù)合材料制成，可以承受較高的徑向載荷，最大承載能力達(dá)到450N/mm2，具有非常好的耐磨性，并能吸收振動(dòng)，表面有微小的凹陷，用于留存液壓油，對(duì)導(dǎo)向環(huán)提供潤(rùn)滑作用。

     3 、密封使用情況及分析

     壓機(jī)使用前期，主缸運(yùn)行狀況良好，后出現(xiàn)不保壓情況，缸底出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。拆缸檢查密封件的狀況：
 
     （1）活塞密封和活塞桿密封為動(dòng)密封，未見明顯的磨損痕跡，無撕裂、啃傷等破損現(xiàn)象，密封唇過盈量較使用前變小；

     （2）導(dǎo)向環(huán)局部有輕微磨痕，無明顯磨損和變形；
 
     （3）導(dǎo)向套上的靜密封形狀和外觀完好，有一定的正常永久壓縮變形量；
 
     （4）活塞膨脹環(huán)和缸底膨脹環(huán)端面的徑向靜密封，在背壓側(cè)有一定的擠邊現(xiàn)象，并不嚴(yán)重；
 
     （5）缸底軸向靜密封出現(xiàn)焦燒、斷裂、啃傷、擠邊等現(xiàn)象，損壞嚴(yán)重，密封已失效。可見，造成壓機(jī)主缸運(yùn)行不良的密封問題是液壓缸底部的軸向靜密封出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p毀，從而造成泄漏與密封失效。

     為了解決問題，分析缸底軸向靜密封失效原因至關(guān)重要。

     圖4、圖5中的失效密封為缸底軸向靜密封，從左至右的三道密封分別安裝在圖1中的4、2、1溝槽處。從損壞情況來看，第一道損壞最為嚴(yán)重，Y形圈從弧底開裂，背壓側(cè)跟部啃傷，壓力側(cè)有焦燒和熔融現(xiàn)象，如圖6和圖7所示，而壓機(jī)缸底膨脹環(huán)表面有黑色附著物和燃燒痕跡，如圖7所示。第二道密封損壞相對(duì)較輕，僅有輕微燒蝕和啃傷。第三道密封僅跟部有啃傷，而無燒蝕。

     造成焦燒和熔融的原因?yàn)楦邷兀瑥囊簤焊椎募夹g(shù)參數(shù)和運(yùn)行狀況看，摩擦產(chǎn)生的熱量不足以對(duì)密封件造成傷害，結(jié)合液壓系統(tǒng)和圖1所示液壓缸結(jié)構(gòu)來看，液壓缸腔體A處易積存氣體，且無法排除干凈，聚積的氣體在高壓壓縮狀態(tài)下體積迅速變小，并通過密封間隙和密封件向外擴(kuò)散，當(dāng)氣體壓縮到極限值時(shí)會(huì)發(fā)生“爆裂”（見圖8），同時(shí)釋放大量熱能，即“狄塞爾”效應(yīng)。對(duì)于液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封件而言“狄塞爾”效應(yīng)經(jīng)常發(fā)生在密封間隙和溝槽接合的拐角處。此處產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致密封件發(fā)生燒焦和熔融，同時(shí)引起油溫升高，導(dǎo)致油中的各種添加劑被破壞，產(chǎn)生游離碳、酸質(zhì)和膠泥狀沉淀物，并造成油液發(fā)黑，加速了油質(zhì)的劣化，同時(shí)還會(huì)使金屬產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用。

      
  
     圖8 氣體爆炸現(xiàn)象

     “狄塞爾”效應(yīng)所產(chǎn)生的高溫計(jì)算公式如下：

     式中T1 ——氣體壓縮前絕對(duì)溫度（K）；
     T2 ——氣體壓縮后絕對(duì)溫度（K）；
     p1 ——氣體壓縮前壓力（MPa）；
     p2 ——氣體壓縮后壓力（MPa）；
     V1 ——氣體壓縮前體積（cm3）；
     V2 ——氣體壓縮后體積（cm3）；
     K——絕熱系數(shù)（空氣絕熱系數(shù)，K=1.4）。

     假設(shè)空氣在常溫20℃被壓縮至60MPa時(shí)，不計(jì)算熱傳導(dǎo)等影響因素，通過上述公式可計(jì)算發(fā)生“狄塞爾”效應(yīng)所產(chǎn)生的瞬時(shí)溫度可達(dá)到670.9℃。氣體在高溫高壓下爆裂后使密封件發(fā)生點(diǎn)蝕，重復(fù)發(fā)生則導(dǎo)致密封出現(xiàn)熔化、碳化以至于燒毀。

     密封跟部啃傷和擠邊是因?yàn)槊芊獠牧系目箶D出性能無法承受當(dāng)下的擠出間隙，對(duì)密封件的燒蝕導(dǎo)致密封材料性能的下降。此外，缸筒與缸底采用螺栓連接，螺栓在高壓下會(huì)發(fā)生變形，導(dǎo)致工作時(shí)缸筒在缸底側(cè)仍然有較大的膨脹，再加上裝配預(yù)留的間隙和偏心，單側(cè)缸壁與缸底膨脹環(huán)之間的間隙約0.6mm，單側(cè)缸壁與缸底之間的的間隙達(dá)到1.5mm左右，如此大的間隙，密封件很容易被擠出從而破損，同時(shí)，密封件發(fā)生變形，在高壓作用下，Y形圈槽底被撕裂。間隙越大，則密封件越容易被擠出、啃傷，從缸底三道軸向靜密封根部
的損壞程度也可以看出，因此，當(dāng)缸底膨脹環(huán)上的第一道靜密封失效以后，第二道和第三道靜密封也會(huì)很快失效。

      此外，液壓缸在經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，缸筒存在變形的可能，這也加劇了缸筒與缸底之間的間隙或者局部間隙變大的可能。由于這些因素的存在，共同造成了缸底靜密封的損壞失效。

     4 、失效密封的改進(jìn)

     密封件被擠入間隙而破壞是大間隙高壓密封失效的主要原因之一。防止密封件被擠入間隙是解決問題的關(guān)鍵。在分析缸底軸向靜密封的失效原因后，決定對(duì)密封結(jié)構(gòu)和配置進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的密封結(jié)構(gòu)如圖9所示，密封為實(shí)體的啞鈴型雙唇結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是接觸力更加均勻，不易扭曲、斷裂，過盈量根據(jù)缸筒與缸底膨脹環(huán)、缸底之間的相對(duì)膨脹量做適當(dāng)?shù)脑黾樱⒃诿芊飧吭黾涌呻S缸筒膨脹的擋環(huán)，工作時(shí)高壓油作用在密封件上，使密封件發(fā)生變形，通過密封件的傳遞，力將作用在擋環(huán)上，使其始終緊貼在缸壁上，保證缸筒和缸底之間無間隙，從而有效地保護(hù)密封件，防止其被擠出。此擋環(huán)可用強(qiáng)度較高的塑料材料或軟金屬材料制成。同時(shí)可在膨脹環(huán)上增加一道密封，如圖10所示，以提高密封的可靠性和液壓缸的使用壽命。

     在液壓系統(tǒng)和液壓缸的設(shè)計(jì)中，盡管采取了各種預(yù)防措施，但是空氣污染仍然難以完全避免，系統(tǒng)運(yùn)行過程中會(huì)有空氣進(jìn)入和氣泡產(chǎn)生，因此在運(yùn)行過程中不斷排除空氣對(duì)于系統(tǒng)的正常運(yùn)行非常重要。

     5 、結(jié)束語

     大型模鍛壓機(jī)液壓缸需要解決大直徑、大膨脹量、大間隙的高壓密封問題。針對(duì)液壓缸的特點(diǎn)和技術(shù)條件，設(shè)計(jì)研發(fā)了整套液壓缸密封。根據(jù)密封件的使用情況和密封失效的形式，分析密封失效的原因，指出液壓缸設(shè)計(jì)和失效密封存在的問題，提出改善措施和更好的密封解決方案，以提高密封的可靠性和使用壽命，確保壓機(jī)安全高效運(yùn)行。