強(qiáng)壓油缸中限位閥密封結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與應(yīng)用

姚澤功 李澤

湖北江山專用汽車有限公司 湖北襄陽 441000

1 前言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求的不斷增長，工程機(jī)械行業(yè)發(fā)展迅速。液壓設(shè)備是工程機(jī)械行業(yè)的關(guān)鍵核心部件，其運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性得到了廣泛的關(guān)注和深入研究[1-3]。液壓系統(tǒng)通過改變壓強(qiáng)來增大作用力，主要包含動力原件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件和液壓油五個部分[4,5]。密封性是液壓設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。根據(jù)行業(yè)的習(xí)慣，設(shè)備中存在相對運(yùn)動的部件之間的密封稱為動密封，處于相對靜止的部件之間的密封為靜密封[6]。

以某公司2013～2016年生產(chǎn)的強(qiáng)壓油缸的質(zhì)量問題統(tǒng)計分析可以看出，在此期間該三裝強(qiáng)壓油缸的異形密封圈損壞脫落和小導(dǎo)向套O型圈損壞占據(jù)了故障總數(shù)的50%以上，如圖1所示。針對上述兩項故障，本研究進(jìn)行了全面分析并采取了一系列改進(jìn)措施，初步取得良好效果。

圖1 2013～2016年異形密封圈損壞脫落和小導(dǎo)向套O型圈損壞故障率占比圖

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用生產(chǎn)的強(qiáng)壓油缸為主要測試設(shè)備，裝配圖如圖2所示。異形密封圈損壞脫落位于閥桿溝槽處，小導(dǎo)向套O型圈損壞位于小導(dǎo)向套內(nèi)外槽處。異形密封圈所密封的閥桿外徑為18 mm，小導(dǎo)向套外槽O型圈所密封的外徑為26 mm，小導(dǎo)向套內(nèi)槽O型圈所密封的內(nèi)徑為9 mm，閥桿行程為16.5 mm。

圖2 強(qiáng)壓油缸裝配圖(a)和限位閥實(shí)物圖(b)

2.2 試驗(yàn)方法

針對異形密封圈損壞脫落，試驗(yàn)進(jìn)行了兩項改進(jìn)。首先，改進(jìn)閥塊。將閥塊異型圈通過倒角由2×30o改為2×60o，增加兩處R5砂圓滑和R1砂圓滑倒角，如圖3所示。同時，將閥塊內(nèi)孔粗糙度值由1.6降低至0.8。經(jīng)過閥塊結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，降低了異型圈的裝配難度，避免了尖角劃傷異形圈，降低了閥塊內(nèi)孔對異形密封圈的磨損。其次，改進(jìn)異形圈。更換了異形圈材質(zhì)和尺寸，提高了異形圈綜合性能和增加了使用壽命。

圖3 異型圈所在閥塊改進(jìn)前后示意圖

針對小導(dǎo)向套O型圈損壞，試驗(yàn)進(jìn)行了三項改進(jìn)。首先，加裝防塵。在壓蓋上增加防塵圈溝槽，根據(jù)尺寸與材料定制防塵圈，防止外部污染物進(jìn)入閥芯機(jī)構(gòu)。其次，改進(jìn)閥桿。將閥桿表面粗糙度值由0.8降低至0.4，并對閥桿整體進(jìn)行鍍鎳處理。最后，對小導(dǎo)向套密封改進(jìn)。在小導(dǎo)向套外槽表面進(jìn)行氧化處理并增加O型圈擋圈，減小了閥桿運(yùn)動中對O型圈的擠壓變形，如圖4所示。

圖4 小導(dǎo)向套結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過上述改進(jìn)后，本試驗(yàn)結(jié)合GB/T 15622-2005《液壓缸試驗(yàn)方法》中的6.4耐久性試驗(yàn)和JB/T 10205-2000《液壓缸技術(shù)條件》中的4.2.4外滲漏、4.2.5耐久性等標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)行了耐久性測試。耐久性測試采用雪佛龍TDH三用油，油缸溫度68～105℃，配重3.2 t，如圖5所示。將強(qiáng)壓油缸在滿載工況下，使活塞不低于50 mm/s的速度，不小于全行程的90%連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。測試期間，測試油缸的零件均不進(jìn)行調(diào)整，累積往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)40萬次，活塞累計行程大于100 km。在活塞往復(fù)運(yùn)行累計5萬次時，檢測外滲漏。在活塞往復(fù)運(yùn)行累計5萬次后，每連續(xù)往復(fù)1萬次，檢測外滲漏，將活塞停在行程中位，測被試油缸在8 min內(nèi)的沉降量。最后，將被試油缸閥塊處小閥芯異型圈和小導(dǎo)向套O型圈拆下，測其磨損量?；钊塾嬤\(yùn)行40萬次后，檢測被試油缸的內(nèi)泄漏量和沉降量，并拆缸檢查零件[7]。

圖5 荷載3.2 t下活塞桿的自然沉降量隨活塞往復(fù)次數(shù)變化圖

3 結(jié)果與分析

3.1 異形密封圈密封效果

為了對比改進(jìn)前后異形密封圈的密封效果，分別對以下兩種情況進(jìn)行測試：一種是氟橡膠的異形密封圈在未進(jìn)行改進(jìn)的情況下的油缸運(yùn)行效果；另一種是氟橡膠的異形密封圈經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，且分別更換為丁腈橡膠、聚氨酯異形密封圈的油缸的運(yùn)行效果[8]。

通過測量被試油缸8 min內(nèi)的沉降量，可以看出：經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn)的油缸活塞桿的每分鐘沉降量由大約30 mm大幅降低至10 mm以下。試驗(yàn)表明，對油缸的閥塊進(jìn)行倒角和對壁面拋光，能夠降低油缸運(yùn)行中對密封圈的劃傷，使密封性能提高3倍以上。另外，在活塞往復(fù)次數(shù)低于20萬次時，丁腈橡膠、聚氨酯的異形密封圈密封性能相似且十分優(yōu)異，油缸活塞桿的每分鐘沉降量均不超過4 mm。當(dāng)活塞往復(fù)次數(shù)超過20萬次后，丁腈橡膠異形密封圈的密封性能逐漸劣于聚氨酯異形密封圈，呈線性下降。聚氨酯異形密封圈在活塞往復(fù)次數(shù)達(dá)到31～34萬次時出現(xiàn)了一次劇烈下降，活塞桿的每分鐘沉降量由4 mm上升至6 mm，但是依然低于裝配氟橡膠和丁腈橡膠異形密封圈時油缸活塞桿的每分鐘沉降量，顯示出較好的密封性和穩(wěn)定性。

氟橡膠、丁腈橡膠和聚氨酯異形密封圈在耐久性測試中的截面直徑的變化如圖6所示。隨著活塞往復(fù)次數(shù)的增加，三種異形密封圈的截面直徑均出現(xiàn)了下滑。結(jié)合圖5中油缸活塞桿的每分鐘沉降量隨活塞往復(fù)次數(shù)的增加而增加可以得出：由于活塞往復(fù)次數(shù)增加而導(dǎo)致的異形密封圈的截面直徑的下降，削弱了異形密封圈的密封性能。

圖6 荷載3.2 t下活塞桿異形密封圈截面直徑隨活塞往復(fù)次數(shù)的變化圖

在活塞往復(fù)次數(shù)低于20萬次時，三種異形密封圈磨損量的變化趨勢基本相同，當(dāng)活塞往復(fù)次數(shù)高于20萬次時，氟橡膠異形密封圈的截面直徑呈指數(shù)型下降；丁腈橡膠異形密封圈的截面直徑開始呈線性下降，但下降速率低于氟橡膠異形密封圈；聚氨酯異形密封圈在31～34萬次時截面直徑出現(xiàn)了顯著下降，其他時刻截面直徑的下降速率均低于氟橡膠和丁腈橡膠異形密封圈。在活塞往復(fù)次數(shù)達(dá)到40萬次時，聚氨酯異形密封圈的截面直徑損失僅為0.16 mm，遠(yuǎn)低于丁腈橡膠異形密封圈的0.23 mm和氟橡膠異形密封圈的0.59 mm。因此，聚氨酯異形密封圈在高溫高壓的液壓油缸中表現(xiàn)出優(yōu)良的動密封特性[6,7]。

3.2 小導(dǎo)向套O型圈密封效果

小導(dǎo)向套O型圈處滲油量隨活塞往復(fù)次數(shù)而變化，如圖7所示。在結(jié)構(gòu)未進(jìn)行改進(jìn)的測試中，小導(dǎo)向套O型圈處在活塞往復(fù)次數(shù)達(dá)到7萬次時，滲油量開始由0 mL線性上升，在達(dá)到16萬次時，累計滲油從0.062 mL開始急速上升，表明小導(dǎo)向套O型圈在活塞往復(fù)次數(shù)達(dá)到16萬次時，密封結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生了重大的結(jié)構(gòu)性破壞。通過試驗(yàn)結(jié)束后的拆解發(fā)現(xiàn)，小導(dǎo)向套O型圈已經(jīng)發(fā)生斷裂，如圖2(b)所示，密封性能顯著削弱。經(jīng)過結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，小導(dǎo)向套O型圈處滲油量在活塞往復(fù)次數(shù)達(dá)到13萬次前始終為零。同時，在活塞往復(fù)次數(shù)達(dá)到40萬次時，累計滲油量僅為0.042～0.046 mL，表明增加防塵圈和O型圈擋圈、閥桿拋光鍍鎳等措施能夠有效提高小導(dǎo)向套O型圈處的動密封效果。

圖7 小導(dǎo)向套O型圈處滲油量隨活塞往復(fù)次數(shù)的變化圖

4 結(jié)語

試驗(yàn)針對強(qiáng)壓油缸中異形密封圈損壞脫落和小導(dǎo)向套O型圈損壞的問題進(jìn)行了分析和改進(jìn)，并對改進(jìn)前后的油缸進(jìn)行了耐久性測試，獲得了以下三點(diǎn)結(jié)論：

a.增加閥塊與異形密封圈接觸點(diǎn)的倒角角度、降低閥塊內(nèi)孔粗糙度值，有利于改善異形密封圈的密封性能和增加使用壽命。

b.聚氨酯異形密封圈在高溫高壓的液壓油缸中表現(xiàn)出優(yōu)良的動密封特性。

c.增加防塵圈和O型圈擋圈，閥桿拋光鍍鎳等措施能夠有效提高小導(dǎo)向套O型圈處的動密封效果。

上述研究結(jié)果對于提高強(qiáng)壓油缸的運(yùn)行穩(wěn)定性和增加使用壽命具有重要的應(yīng)用價值。