冷等靜壓機(jī)上端蓋排氣系統(tǒng)的故障分析與改造

白秋平

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司金屬分公司，陜西西安 710177)

0 前言

等靜壓成型早在1913年由美國(guó)西屋電燈公司H.D.Madden首次發(fā)明并在生產(chǎn)耐火材料中得到應(yīng)用，20世紀(jì)60年代后等靜壓成型向著生產(chǎn)大尺寸、特種耐火材料發(fā)展。中國(guó)于70年代中期引進(jìn)、開(kāi)發(fā)、研究及制造等靜壓設(shè)備，如上海重型機(jī)器廠等生產(chǎn)的該設(shè)備已在上海碳索廠等一批工廠中使用。自80年代初至今，我國(guó)先后從國(guó)外引進(jìn)了幾十臺(tái)等靜壓機(jī)及其制造的工藝技術(shù)，經(jīng)過(guò)廣大科技人員的努力，在設(shè)備制造、備品備件國(guó)產(chǎn)化、工藝技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化及應(yīng)用方面都取得了重大進(jìn)展，有些方面的技術(shù)超過(guò)世界先進(jìn)水平。目前等靜壓技術(shù)已在粉末冶金、特種陶瓷、耐火材料、碳材料、復(fù)合材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

冷等靜壓機(jī)的基本原理是帕斯卡定律，即加在密閉容器內(nèi)的液體壓強(qiáng)能夠按照它原來(lái)的大小向各個(gè)方向均勻地傳遞。冷等靜壓的過(guò)程是，利用高壓泵把液體介質(zhì)壓人鋼制的高壓密封容器內(nèi)，在彈性模套內(nèi)的粉料在各個(gè)方向上同時(shí)受到液體傳遞的均衡壓力，從而獲得密度分布均勻和強(qiáng)度較好的壓坯。冷等靜壓一般采用液體如，水或油作為壓力傳遞介質(zhì)，熱等靜壓用惰性氣體作為壓力傳遞介質(zhì)，例如，氮?dú)饣驓鍤?。同模壓法比較，等靜壓的優(yōu)點(diǎn)是可以成型復(fù)雜形狀和尺寸大的制品(例如，具有凹形、空心、細(xì)長(zhǎng)件和大件等)，摩擦、磨損小，成型壓力小，模具易制作，密度均勻，可獲得接近完全致密的材料。同注槳法比較，等靜壓法不需要嚴(yán)格控制料槳的性能，不必干燥。同擠壓法比較，長(zhǎng)的棒材、管材不易干燥開(kāi)裂和變形。等靜壓制在鉬粉冶工程中是必不可少的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一，承擔(dān)著重多產(chǎn)品的成形任務(wù)，如各種規(guī)格的棒、板、管、電極以及形狀復(fù)雜的異型件等，壓坯重量從幾千克到數(shù)百千克不等。如果等靜壓機(jī)出現(xiàn)故障，生產(chǎn)環(huán)節(jié)被打斷，直接、間接損失無(wú)法估算。本文根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合等靜壓原理，對(duì)等靜壓機(jī)上端蓋排氣系統(tǒng)故障進(jìn)行了積極地探索和改進(jìn)。

1 冷等靜機(jī)上端蓋排氣系統(tǒng)的故障現(xiàn)象及分析

我分廠目前使用LDJ500/1500－300型冷等靜機(jī)是川西機(jī)器廠1993年生產(chǎn)的設(shè)備，其工作介質(zhì)為單介質(zhì)(乳化液)，而該設(shè)備的工作環(huán)境都是冶金粉末加工，就避免不了工作液中混有鉬、鎢等有色金屬粉末，而這些粉末隨著工作液通過(guò)排氣口泄壓時(shí)，就會(huì)粘附在上高壓內(nèi)襯與排氣桿的密封面處，在200 MP的高壓下會(huì)在上端蓋高壓內(nèi)襯與排氣桿的密封面處留下細(xì)小的壓痕而破壞密封面，為設(shè)備的下一次使用留下故障隱患，而上端蓋高壓內(nèi)襯與排氣桿的密封面為環(huán)形的線性金屬接觸面，設(shè)備系統(tǒng)的壓力又高，很容易在壓痕處沖出一道細(xì)小的溝槽，從而發(fā)生泄露，導(dǎo)致設(shè)備在加壓的過(guò)程中，工作液將通過(guò)排氣桿系統(tǒng)密封處細(xì)小的溝槽一直排泄高壓工作液，當(dāng)增壓器打入工作缸的工作液的體積大于泄露量的體積時(shí)，設(shè)備加壓時(shí)間延長(zhǎng)；當(dāng)增壓器打入工作缸的工作液的體積等于泄露量的體積時(shí)，設(shè)備壓力將升不到工藝要求的壓力；當(dāng)增壓器打入工作缸的工作液的體積小于泄露量的體積時(shí)設(shè)備壓力不升反而下降。如果達(dá)不到工藝要求的壓力，將直接導(dǎo)致壓坯成為廢料；由于以前鉬制品產(chǎn)量較小，每天使用冷等靜壓壓制4次，那么每隔3～5個(gè)月更換一次排氣系統(tǒng)的上端蓋高壓內(nèi)襯和排氣桿，現(xiàn)在由于生產(chǎn)鉬制品品種的調(diào)整，冷等靜壓機(jī)最多每天要壓制21次，隨著使用頻率的增加，更換排氣系統(tǒng)的上端蓋高壓內(nèi)襯和排氣桿的周期變?yōu)?～3周，而且新的上端蓋高壓內(nèi)襯和排氣桿的備件在機(jī)加工時(shí)由于密封面的圓度公差太大，剛換新的也不能保證有效的密封，頻繁的更換排氣系統(tǒng)的上端蓋高壓內(nèi)襯不僅耽誤生產(chǎn)，而且造成維修費(fèi)用增加，在更換上端蓋高壓內(nèi)襯的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)舊內(nèi)襯進(jìn)行研磨，機(jī)加工，提高了備件的再利用效率。但由于手工研磨好一個(gè)上端蓋高壓內(nèi)襯需要4～7天，勞動(dòng)強(qiáng)度太大，且手工研磨易出現(xiàn)不同軸的現(xiàn)象，修復(fù)配件使用壽命較短。根據(jù)2010年的零部件維修統(tǒng)計(jì)情況，共更換整套部件5套，維修部件12套次，僅此部件的使用成本在4萬(wàn)余元/年。鑒于以上原因，有必要對(duì)冷等靜壓機(jī)上端蓋排氣系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2 LDJ500/1500－300型冷等靜機(jī)排氣系統(tǒng)工作原理

該排氣機(jī)構(gòu)的工作原理是一個(gè)單向?qū)ǖ膯蜗蜷y，當(dāng)系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，排氣桿在彈簧力及自重的作用下下移，與處于上高壓內(nèi)襯的閥座脫開(kāi)，這時(shí)排氣系統(tǒng)處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)?shù)褥o壓機(jī)處于工作狀態(tài)，上端蓋下降，由于上端蓋外側(cè)密封圈的作用，工作缸內(nèi)多余工作液和空氣只能從排氣機(jī)構(gòu)排出，而工作缸內(nèi)多余工作液和空氣對(duì)排氣桿下端有一個(gè)推力作用(注；排氣桿的結(jié)構(gòu)是一個(gè)小活塞)、但此時(shí)的力不足以克服彈簧的彈力使排氣桿上移，缸內(nèi)多余的工作液和空氣經(jīng)排氣系統(tǒng)排氣口排出。上端蓋下降到位，機(jī)架移進(jìn)到位，壓機(jī)系統(tǒng)預(yù)加壓泵開(kāi)始啟動(dòng)加壓，經(jīng)過(guò)排氣系統(tǒng)的工作液流量和壓力急劇上升，作用在排氣桿下端部的作用力也急劇增加，當(dāng)作用力大于彈簧的彈力后，推動(dòng)排氣桿上移，其密封部位與閥座密封部位接觸，實(shí)現(xiàn)密封，排氣系統(tǒng)關(guān)閉，整個(gè)工作缸處于密封狀態(tài)，壓機(jī)系統(tǒng)開(kāi)始加壓工作。其排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2。

圖1 原上端蓋排氣系統(tǒng)裝配結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 密封系統(tǒng)不同狀態(tài)示意圖

3 上端蓋排氣系統(tǒng)改造的設(shè)計(jì)方案

3.1 改造方案使用的原理

利用阿基米德定律，浮子在空氣中的重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在液體中的重量，利用該原理，使得浮子及密封閥在工作缸有空氣時(shí)，浮子及密封閥在自重的作用下保持打開(kāi)狀態(tài)，將工作缸中的空氣排出；當(dāng)空氣排完后，浮子及密封閥便處于液體中，由于液體的浮力遠(yuǎn)大于空氣的浮力，再加上缸內(nèi)液體急速向外排時(shí)對(duì)浮子所產(chǎn)生的向上的推力使浮子上浮，浮子帶動(dòng)密封閥將液體封住，實(shí)現(xiàn)密封功能。

3.2 改造設(shè)計(jì)方案

在此改造方案中，對(duì)上端蓋及上高壓內(nèi)襯采用盡可能少的改動(dòng)量，保證上端蓋的工作強(qiáng)度及高壓下的安全性能，為實(shí)現(xiàn)排氣系統(tǒng)在升壓的過(guò)程中不僅能將工作缸內(nèi)的氣體排出，在工作缸沒(méi)有氣體時(shí)將工作液及時(shí)密封，在超高壓狀態(tài)時(shí)不會(huì)泄露，而且在工作缸泄壓后，密封閥自動(dòng)打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)工作缸內(nèi)外壓力相同。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，我們對(duì)部分零部件做了以下改造，并重新設(shè)計(jì)加工了以下零部件。

3.2.1 對(duì)上高壓內(nèi)襯的改動(dòng)

將上高壓內(nèi)襯的底部端面進(jìn)行機(jī)加工，經(jīng)過(guò)車(chē)、磨，使其端面的粗糙度Ra為0.05 μm，加工后的零件如圖3。

3.2.2 設(shè)計(jì)制作浮子

由于浮子在此所起的作用較為關(guān)鍵，它主要是在空氣中與密封閥離開(kāi)接觸面，保持排氣系統(tǒng)暢通，在充滿液體時(shí)，依靠液體的浮力及液體的沖擊力，帶動(dòng)密封閥上浮，密封住通道，達(dá)到密封的效果，在此浮子必須以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1)材質(zhì)的密度輕。因?yàn)槊芏却罅嗽诠ぷ饕撼錆M工作缸時(shí)，浮子無(wú)法帶動(dòng)密封閥上浮，起不到密封作用。

(2)具有一定的硬度及韌性。因?yàn)楦∽釉?00 MPa的工作液中，所以要有良好的硬度及韌性。

(3)具有優(yōu)良的加工性能。

綜合考慮，浮子的材質(zhì)選為鋁合金，比較適合以上要求。其示意圖如圖4。

圖3 上高壓內(nèi)襯示意圖

圖4 浮子示意圖

3.2.3 設(shè)計(jì)制作密封閥

由于密封閥是固定到浮子上的，密封閥一起上下移動(dòng)，所以密封閥是密封的關(guān)鍵部位，它主要是由密封圈進(jìn)行密封，缸內(nèi)液體上升到高壓后，密封閥的上端面與上高壓內(nèi)襯的下端面接觸，進(jìn)行高壓密封因此密封閥的上端面表面粗糙度Ra為0.05 μm，以便接觸面能更好地起到密封作用。因?yàn)槊芊忾y密封的是300 MPa的壓力，所以此密封閥的材質(zhì)應(yīng)選為高強(qiáng)度的合金鋼。其示意圖如圖5。

圖5 密封閥示意圖

3.2.4 改造后上端蓋排氣系統(tǒng)的裝配圖及工作過(guò)程

圖6 改造后的上端蓋排氣系統(tǒng)裝配圖

工作過(guò)程：在未工作狀態(tài)時(shí)，浮子及密封閥由于自重離開(kāi)密封面，保持工作缸內(nèi)與工作缸外成通路，當(dāng)設(shè)備開(kāi)始加壓時(shí)，由于氣體對(duì)浮子的浮力及向上的推力，未克服浮子、密封閥及配重環(huán)的重量，密封接觸面保持通暢，氣體順著浮子的導(dǎo)液孔經(jīng)未閉合的密封面，通過(guò)上高壓內(nèi)襯的排氣管直接將氣體排除缸體。當(dāng)缸內(nèi)氣體排完，液體開(kāi)始上浮，液體對(duì)浮子的浮力及向上的推力，克服了浮子、密封閥及配重環(huán)的重量而向上運(yùn)動(dòng)，密封閥上的O型密封圈關(guān)閉缸體內(nèi)外的通路，使缸內(nèi)形成密閉的空間，此時(shí)缸內(nèi)壓力開(kāi)始上升，壓力上升到高壓狀態(tài)時(shí)，高壓液體對(duì)密封閥施加的向上的推力越大，使密封閥上接觸面及上高壓內(nèi)襯的下接觸面更好的緊密接觸，由于接觸面有較好表變粗糙度，對(duì)高壓液體就進(jìn)行較好的密封。當(dāng)壓機(jī)泄壓完畢時(shí)，由浮子、密封閥及配重環(huán)僅受到液體對(duì)它們的浮力，而沒(méi)有推力，所以不能克服重力，致使浮子、密封閥及配重環(huán)離開(kāi)密封接觸面，缸體內(nèi)外恢復(fù)通路。

4 調(diào)試及使用中需改善的問(wèn)題

(1)配重環(huán)是調(diào)節(jié)排氣系統(tǒng)的關(guān)鍵，首先必須通過(guò)調(diào)整配重環(huán)的重量，使整個(gè)排氣系統(tǒng)能正常的關(guān)閉，打開(kāi)。

(2)在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)O型密封圈易被壓斷，造成密封失敗，經(jīng)過(guò)分析，由于O型密封圈未固定，在密封閥打開(kāi)時(shí)易跑位，再次壓制時(shí)被壓斷。

解決方法：用502膠水將O型密封圈粘到密封槽中，防止其移位，便解決了此問(wèn)題。

5 改造后的使用效果

(1)上端蓋排氣系統(tǒng)改造后，經(jīng)過(guò)使用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，一個(gè)O型密封圈最長(zhǎng)可以使用4個(gè)月，最短也使用2個(gè)月，維修成本幾乎可以忽略，每年節(jié)約維修成本4萬(wàn)余元。

(2)縮短維修時(shí)間，提高了設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率。每年維修最多6次，每次維修半小時(shí)，幾乎不耽誤當(dāng)班生產(chǎn)量，大大縮短了故障維修時(shí)間，提高設(shè)備產(chǎn)能，減少了產(chǎn)品在壓制過(guò)程中的廢次品率。

(3)維修方便。維修時(shí)只需拆卸4顆螺絲，更換O型密封圈即可，節(jié)約了人力資源。

［1］劉旭輝.一種高壓密封結(jié)構(gòu)的故障分析與設(shè)計(jì)［J］.潤(rùn)滑與密封，2005，(3)：：139－140.

［2］川西機(jī)器廠.冷等靜壓機(jī)使用技術(shù)總結(jié)［R］.1994.

［3］葉建春.高壓密封裝置的技術(shù)進(jìn)展.輕工機(jī)械［J］.1999，(2)：7－9.

［4］中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所.高壓密封裝置［R］.沈陽(yáng)：2005.