熱模鍛壓力機Y型密封圈的失效分析與改進方案

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（陜西法士特集團有限責任公司，陜西 寶雞722409）

熱模鍛壓力機在汽車、內(nèi)燃機、航空、五金工具等制造業(yè)中，用于批量加工黑色或有色金屬的模鍛和精整鍛件，它成型鍛件精度高，材料利用率高，生產(chǎn)率高，易于實現(xiàn)自動化，是現(xiàn)代鍛造生產(chǎn)不可缺少的高精鍛壓設(shè)備。

熱模鍛壓力機一般用一級傳送帶和一級齒輪這兩級傳動方式，其主要組成部分有：電機、飛輪、傳動軸、離合器、制動器、曲軸、平衡缸和滑塊連桿機構(gòu)等。電動機通過傳送帶將運動傳送到飛輪上，飛輪帶動傳動軸和一級齒輪驅(qū)動離合器，離合器一般安裝在曲軸的右側(cè)，當離合器結(jié)合時，曲軸會隨著離合器同步旋轉(zhuǎn)，連桿通過曲軸使滑塊沿導(dǎo)軌做上、下往復(fù)運動。制動器安裝在曲軸的左側(cè)，使得滑塊能夠停在設(shè)定的位置上。平衡缸用于平衡滑塊、連桿等運動件的重量。離合器、制動器及平衡缸的可靠性直接影響整個鍛壓線的安全性和穩(wěn)定性。由于該三個部件內(nèi)部活塞體積比較大，用于起主要密封作用的大型Y型密封圈一般為非標件，對于使用年代久遠的設(shè)備，大型Y型密封圈出現(xiàn)失效的幾率性大大增加。通過對Y型密封圈的密封原理介紹，分析了熱模鍛壓力機（離合器、制動器和平衡缸）三大部件中Y型密封圈的常見失效形式和失效原因，并對部分失效形式提出了相應(yīng)的改進方案，以便對于日常維修人員對癥下藥，少走彎路。

1　Y型密封圈的密封原理

Y型密封圈是一種典型的唇形密封圈，如圖1所示，適用于工作壓力不大于40 MPa，工作溫度為-30～+80℃的情況下。在工作時依靠其張開的唇邊緊貼于密封副耦合面，并呈線狀接觸，介質(zhì)無壓力時，靠唇邊的變形產(chǎn)生很小的接觸壓力[1]。在介質(zhì)壓力作用下產(chǎn)生“峰值”接觸應(yīng)力，壓力越高應(yīng)力越大。當耦合件以工件速度相對運動時，在密封唇與滑移耦合面之間形成一層密封膜，從而產(chǎn)生密封作用。密封唇邊磨損后，由于介質(zhì)壓力的作用而具有一定的自動補償能力。

圖1　Y型密封圈結(jié)構(gòu)圖

由于丁腈橡膠（NBR）具有極佳的耐石油與燃油性能，同時其機械性能、加工性能良好和成本低等因素，在熱模鍛壓力機的大型Y型密封圈中得到了大量使用。丁腈橡膠耐熱性相對居中，一般使用溫度范圍為-40℃～120℃，長期使用溫度可達100℃，120℃可以用40天，邵氏A硬度范圍40°～90°.

2　常見的失效形式與分析

在日常維修中，大型Y型密封圈失效的主要原因有：密封圈變硬或變色、相對運動的密封唇過渡磨損、間隙擠出、密封圈從截面的中心裂開、密封圈根部邊緣被擠出等。

2.1　Y型密封圈變硬或變色

2.1.1溫度對Y型密封圈的影響。

高溫會加速橡膠的老化，特別是在平衡缸的密封中該現(xiàn)象特別明顯，主要是平衡缸內(nèi)的氣體在被頻繁壓縮和釋放后會產(chǎn)生大量的熱，而缸體的外表面不足以將多余的熱量帶走，從而使得工作溫度升高，導(dǎo)致密封介質(zhì)老化。工作溫度越高，Y型密封圈的壓縮永久變形就越大。

2.1.2摩擦力的影響。

Y型密封圈在缸體內(nèi)運動時，摩擦力隨工作壓力的增大而增大。摩擦力的增大，使得Y型密封圈與缸體之間產(chǎn)生大量摩擦熱，大量的摩擦熱，加速了橡膠的老化，發(fā)生永久變形，導(dǎo)致Y型密封圈失去密封效果。

2.2　相對運動的密封唇過渡磨損

相對運動的密封唇過渡磨損如圖2所示，主要原因有以下兩個方面。

圖2　相對運動的密封唇過渡磨損

2.2.1運動表面粗糙度過大

該現(xiàn)象主要發(fā)生在熱模鍛壓力機的離合器、制動器活塞中，由于離合器、制動器體積比較大，重量導(dǎo)致了缸體和活塞之間發(fā)生了摩擦，摩擦使得缸體表面粗糙度變大。

2.2.2工作介質(zhì)中有雜質(zhì)。

在設(shè)備維修時由于清理得不徹底，外界的固體顆粒在安裝過程中帶入了活塞腔或壓縮空氣管道，帶壓力的工作介質(zhì)將固體顆粒物帶到了密封唇與缸體的耦合面。

2.3　Y型密封圈被間隙擠出

表現(xiàn)形式如圖3所示。主要是由于密封唇口有缺口和活塞和缸體之間的間隙變大造成的。

圖3　密封圈被間隙擠出

2.3.1密封唇口有一小缺口。

在Y型密封圈實際安裝過程中，由于體積的龐大和存在一定的過盈量，往往需要幾個人配合才能進行安裝。為了使得活塞能都順利進入缸體內(nèi)，根據(jù)周長的大小需要先進行2個或者多個點的定位而不至于Y型密封圈安裝到最后出現(xiàn)周長變長的現(xiàn)象。在安裝時由于缸體磨損后尖銳的棱邊或者安裝的工具在擠壓Y型密封圈進入缸體過程中發(fā)生了切邊，造成唇邊有小缺口。

2.3.2活塞和缸體之間的間隙變大。

在實際使用過程中，熱模鍛壓力機的使用年代一般比較久遠，工作環(huán)境也比較惡劣甚至對設(shè)備的維護保養(yǎng)也不是很到位?；钊透左w之間的摩擦由于潤滑不到位或使用時間比較長，兩者之間的間隙會慢慢變大。這樣，Y型密封圈的一部分容易被擠入間隙，引起密封件局部應(yīng)力集中，受工作介質(zhì)壓力的作用，以致在運動過程中將其切掉，失去密封能力。

2.4　密封圈從截面的中心裂開

如圖4所示，密封圈從截面的中心裂開。這是因為唇形密封圈頸部軸向尺寸太小。這主要與Y型密封圈的開始設(shè)計有關(guān)系，或者是在后期使用過程中人為增大了介質(zhì)壓力，導(dǎo)致Y型密封圈的實際頸部軸向尺寸不能滿足使用要求。

圖4　密封圈從截面的中心裂開

2.5　密封圈根部邊緣被擠出

如圖5所示，存在整個圓周上的根部和半個圓周上的根部被擠出兩種情況。

圖5　密封圈根部邊緣被擠出

2.5.1整個圓周上的根部被擠出

這種現(xiàn)象主要出現(xiàn)在離合器的活塞中。在實際工作中，離合器屬于旋轉(zhuǎn)零件，隨著使用壽命的增加，缸體會被均勻磨損，從而導(dǎo)致活塞和缸體的間隙變大。

2.5.2半個圓周上的根部被擠出

在熱模鍛壓力機中，制動器活塞不隨著曲軸工作而旋轉(zhuǎn)，只做軸向的往復(fù)運動。活塞在重力作用下，會不斷磨損活塞內(nèi)圈的上端和外圈的下端，導(dǎo)致活塞或缸體出現(xiàn)橢圓現(xiàn)象，活塞內(nèi)圈的下端和外圈的上端間隙變大，出現(xiàn)Y型密封圈失效現(xiàn)象。

3　改進方案與實驗驗證

3.1　溫度的影響的措施

對于平衡缸由于介質(zhì)的溫度高導(dǎo)致了Y型密封圈的壽命縮短，筆者曾經(jīng)試做過用硅膠來代替丁晴橡膠，但效果不明顯，在使用過程中容易出現(xiàn)密封圈從截面的中心裂開的現(xiàn)象，后來通過調(diào)整平衡缸安全閥的最大壓力實現(xiàn)了改善。即當平衡缸活塞行程達到最大位移量時將一部分壓縮空氣排出，使得部分熱量被帶走，老化現(xiàn)象得到了明顯改善。

3.2　粗糙度和棱角的影響

在每次維修時對于粗糙度過大的表面可用手工修磨的方式進行維修，盡可能的降低表面粗糙度，減小密封副耦合面的摩擦力，從而減少密封唇的磨損。

所有與Y型密封圈接觸的表面不得有銳邊，全部進行倒鈍，防止在安裝過程中損傷密封圈，進而加速密封失效的可能。

3.3　密封圈尺寸的設(shè)計改進

我車間現(xiàn)有FPA-3000T熱模鍛壓力機在日常使用過程中離合器多次出現(xiàn)密封圈從截面的中心裂開的現(xiàn)象，初步判斷為Y型密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理所致，離合器使用工況和參數(shù)如表1所示。隨后根據(jù)現(xiàn)有密封槽的尺寸和使用工況，對其Y型密封圈結(jié)構(gòu)進行了改進。

表1　離合器使用工況和參數(shù)

產(chǎn)品設(shè)計斷面形狀

1）密封圈的高度根據(jù)活塞尺寸取h=20±0.2 mm[2]；由于存在工作壓力，即使密封圈高度比溝槽寬度小1 mm左右，加之行程小、往復(fù)運動的速度也不高，是不會出現(xiàn)密封圈在溝槽內(nèi)竄動的現(xiàn)象。

2）密封圈根部高度原有尺寸為9.5 mm，因多次出現(xiàn)過根部截面的中心裂開的現(xiàn)象，參考HG4-335-66，根部高度選取12.1 mm.

3）頂角B原有角度為30°，考慮缸體和活塞之間的磨損，密封圈的擠出間隙變大，根據(jù)參考文獻[2]中的設(shè)計優(yōu)化經(jīng)驗，加大頂角B=60°.

4）其余尺寸按照原有Y型密封圈進行設(shè)計。

經(jīng)過以上改進，圖6所示密封圈材質(zhì)選用丁腈橡膠，硬度為60°.按照車間現(xiàn)有生產(chǎn)狀況，每天兩班，每班工作8 h投入生產(chǎn)，離合器按照表一使用工況和參數(shù)運行一年，未出現(xiàn)過漏氣或者Y型密封圈損壞現(xiàn)象。

圖6　產(chǎn)品設(shè)計斷面形狀

4　結(jié)束語

通過對熱模鍛壓力機Y型密封圈的失效形式分析和方案的改進，降低了熱模鍛壓力機離合器、制動器和平衡缸Y型密封圈的維修成本和維修頻率，也給相關(guān)人員提供一定的判斷思路和維修經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]曹艷科，王浩先，王 旭，等．大型國產(chǎn)氣動Y型密封圈在機械壓力機上的應(yīng)用[J]．潤滑與密封，2016，41（5）：139-145．

[2]劉 明，陸 軍，段 棟．Y型密封圈密封原理探討與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J]．特種橡膠制品，2012，33（3）：57-59．