靜液壓壓路機(jī)橋干式駐車(chē)制動(dòng)器密封故障的原因分析及其優(yōu)化措施研究＊

孫威，張寒羽，鐘家怡，梁興華，陳素姣

（柳工柳州傳動(dòng)件有限公司，廣西柳州 545007）

0 引言

壓路機(jī)是一種路面機(jī)械，廣泛應(yīng)用于路基建設(shè)、平整地面、壓實(shí)路基等作業(yè)，作業(yè)時(shí)車(chē)速緩慢，一般為4 km/h。根據(jù)實(shí)際需要，一部分壓路機(jī)已經(jīng)通過(guò)輸入動(dòng)力反拖代替行車(chē)制動(dòng)，但保留了駐車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)。隨著靜液壓壓路機(jī)橋的推廣及應(yīng)用，在驅(qū)動(dòng)橋上配置駐車(chē)制動(dòng)器已經(jīng)成為施工現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)配。制動(dòng)器作為關(guān)鍵的功能性結(jié)構(gòu)，其發(fā)生故障會(huì)影響整機(jī)的使用，其失效模式多以制動(dòng)器漏油、制動(dòng)力不足為主。國(guó)內(nèi)制造行業(yè)的專(zhuān)家與學(xué)者們對(duì)密封圈進(jìn)行了大量研究，其中劉文華等［1］通過(guò)對(duì)進(jìn)口設(shè)備故障進(jìn)行分析，確認(rèn)了造成星形圈翻滾的原因是密封圈與桿壁摩擦力大；陳慶等［2］通過(guò)科學(xué)計(jì)算、理論分析，對(duì)影響密封圈的泄漏量的介質(zhì)壓力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度及介質(zhì)黏度等因素進(jìn)行分析，認(rèn)為“O”形橡膠圈不適宜在重負(fù)荷工況或潤(rùn)滑差的情況下使用，因?yàn)槠湟讓?dǎo)致密封圈翻滾磨損。趙虹輝［3］通過(guò)對(duì)派克舊件分析得出造成密封泄漏的原因主要與活塞桿損壞、介質(zhì)污染、極端工作溫度、化學(xué)物質(zhì)侵蝕、工作壓力過(guò)高等相關(guān)。以上研究都對(duì)密封圈的泄漏原因進(jìn)行了科學(xué)、有效的分析和計(jì)算，并給出“O”形密封圈的特點(diǎn)及導(dǎo)致密封失效的主要原因，同時(shí)前人的研究對(duì)外部環(huán)境的影響也進(jìn)行了分析與總結(jié)，但未包含對(duì)干式、無(wú)油液介質(zhì)的制動(dòng)環(huán)境進(jìn)行模擬分析，本文主要研究壓路機(jī)橋干式駐車(chē)制動(dòng)密封的選型、計(jì)算及試驗(yàn)方法，以解決制動(dòng)器漏油問(wèn)題。

1 某靜液壓壓路機(jī)駐車(chē)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及工作原理

干式駐車(chē)制動(dòng)器的密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，活塞與缸孔采用密封設(shè)計(jì)，活塞的大端采用活塞動(dòng)密封、活塞的小端采用活塞桿動(dòng)密封。

圖1 干式駐車(chē)制動(dòng)器結(jié)構(gòu)

在停車(chē)狀態(tài)下，活塞因碟形彈簧壓緊底部摩擦副，摩擦副通過(guò)花鍵與動(dòng)力輸入齒輪花鍵連接，利用摩擦副壓緊，摩擦力使其保持靜止不能轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)停車(chē)制動(dòng)。當(dāng)液壓油從入口進(jìn)入，將活塞向上頂起，摩擦副釋放不再受壓，隨之制動(dòng)停止，整機(jī)根據(jù)輸入動(dòng)力啟動(dòng)行駛作業(yè)。對(duì)于壓路機(jī)，車(chē)速較慢、停車(chē)制動(dòng)器的使用不頻繁，整個(gè)生命周期（制動(dòng)次數(shù)）有5 000 次左右的制動(dòng)次數(shù)。但是，停車(chē)制動(dòng)器的工作環(huán)境處于無(wú)油液浸泡的干式環(huán)境，與傳統(tǒng)的濕式制動(dòng)器浸泡在齒輪油中的工作環(huán)境相比，停車(chē)制動(dòng)器的工作環(huán)境更惡劣，更容易出現(xiàn)故障。

2 失效模式分析與計(jì)算

2.1 失效模式

經(jīng)過(guò)對(duì)舊件的拆檢分析，反饋時(shí)間段多集中在整機(jī)工作300 h 以?xún)?nèi)，工程機(jī)械屬于早期的故障反饋。拆檢舊件發(fā)現(xiàn)制動(dòng)器的故障失效模式為“O”形圈扭曲變形（如圖2所示）。

圖2 “O”形圈扭曲變形

2.1.1 “O”形圈扭曲變形

扭曲變形（如圖2所示）會(huì)導(dǎo)致“O”形圈材料無(wú)法精準(zhǔn)填充密封溝槽，不能按照設(shè)計(jì)計(jì)算的壓縮率、填充率實(shí)施密封，導(dǎo)致密封處漏油。

2.1.2 “O”形圈嚴(yán)重磨損

扭曲變形后“O”形圈嚴(yán)重磨損是常見(jiàn)的密封故障反饋形式，因磨損造成材料缺失，使密封圈的壓縮率發(fā)生改變，導(dǎo)致密封失效。

2.2 失效原因分析

經(jīng)過(guò)調(diào)查確認(rèn)，制動(dòng)器在出廠測(cè)試時(shí)進(jìn)行了密封性能測(cè)試，不存在漏油、制動(dòng)密封失效的情況，說(shuō)明“O”形圈的初始?jí)嚎s量能夠滿足密封要求。其他制動(dòng)器相關(guān)零件也無(wú)異常，活塞密封面粗糙度、殼體密封面粗糙度均滿足制動(dòng)器的需求。經(jīng)分析后，總結(jié)失效原因如下。

2.2.1 “O”形圈扭曲

造成“O”形圈扭曲的原因是裝配或密封圈使用過(guò)程的摩擦力不均勻，包括缸孔及活塞桿的制造間隙不均勻、“O”形圈斷面直徑不均勻、缸孔或活塞桿圓周粗糙度不一致、活塞桿往復(fù)過(guò)程跳動(dòng)等。當(dāng)局部摩擦力大于“O”形圈橡膠抗扭力時(shí)就產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)扭曲。

2.2.2 “O”形圈的磨損

硬度不足會(huì)導(dǎo)致“O”形圈耐磨性能下降，市場(chǎng)中的整機(jī)中，“O”形圈已經(jīng)工作超過(guò)2 000 h，并且當(dāng)前“O”形圈的硬度已經(jīng)達(dá)到使用要求，因此硬度不足非造成失效的主要原因。此外，橡膠材質(zhì)、活塞、活塞缸粗糙度等均滿足“O”形圈密封標(biāo)注的要求，非造成失效的主要原因，但工況灰塵較大，可能需要更好的防塵裝置。

經(jīng)過(guò)對(duì)舊件進(jìn)行分析排查發(fā)現(xiàn)，“O”形圈的材質(zhì)、尺寸、活塞缸，以及活塞桿的粗糙度、尺寸均符合設(shè)計(jì)要求，所以針對(duì)靜液壓壓路機(jī)干式駐車(chē)制動(dòng)器密封特點(diǎn)，需要回顧和優(yōu)化預(yù)拉伸率、預(yù)壓縮率、壓縮率參數(shù)設(shè)計(jì)。

2.3 活塞密封的預(yù)拉伸率y計(jì)算

其中：d1為“O”形圈內(nèi)徑，d3為“O”形圈槽底直徑（活塞），最小預(yù)拉伸率等于0。ymax應(yīng)滿足國(guó)標(biāo)［4］建議的最大預(yù)拉伸率（見(jiàn)表1）。

表1 國(guó)標(biāo)建議的活塞密封“O”形圈最大預(yù)拉伸率

計(jì)算得出，故障“O”形圈的預(yù)壓縮率為2.8%～2.92%，符合國(guó)標(biāo)要求。

2.4 活塞桿密封的預(yù)壓縮率k的計(jì)算

其中：D0為“O”形圈界面直徑，d6為溝槽底徑（制動(dòng)殼體），最小預(yù)壓縮率應(yīng)等于0，kmax應(yīng)符合國(guó)標(biāo)建議的最大預(yù)壓縮率（見(jiàn)表2）。

表2 國(guó)標(biāo)建議的活塞桿密封“O”形圈最大預(yù)壓縮率

計(jì)算得出，故障“O”形圈的預(yù)壓縮率為2.8%～2.92%，符合國(guó)標(biāo)要求。

2.5 壓縮率的計(jì)算

其中：D0為密封“O”形圈截面直徑，mm；D為密封腔體大徑，mm；d為密封腔體小徑。

計(jì)算得出，故障“O”形圈的壓縮率為12.6%～18.2%。符合國(guó)標(biāo)的建議值（見(jiàn)表3）。

表3 國(guó)標(biāo)建議的活塞密封、活塞桿密封構(gòu)造深度的極限值及對(duì)應(yīng)的壓縮率（單位：mm）

一般壓縮率與永久變形存在一定關(guān)系（如圖3所示）。

圖3 壓縮率與永久變形關(guān)系圖

壓縮率的范圍為9%≤12.6%～18.2%≤19.5%，符合國(guó)標(biāo)要求。

通過(guò)以上計(jì)算可以得出，當(dāng)前的“O”形圈符合密封標(biāo)準(zhǔn)要求，但是由于靜液壓壓路機(jī)駐車(chē)制動(dòng)器“O”形圈服役環(huán)境的特殊性，以及壓路機(jī)制動(dòng)器工作油壓不高，為1～3.5 MPa，因此拉伸率、預(yù)壓縮率、壓縮率的參數(shù)仍有優(yōu)化空間。適宜的取值有利于減少摩擦力，尤其是干式無(wú)油側(cè)的摩擦力（遠(yuǎn)大于有油側(cè)），還可以消除翻轉(zhuǎn)扭曲及磨損失效。通過(guò)試驗(yàn)的方法將“O”形圈壓縮率調(diào)整到一個(gè)合適的值，使“O”形圈不再發(fā)生扭曲且磨損量最小，保證密封不漏油。

3 制動(dòng)密封可靠性試驗(yàn)

為解決制動(dòng)器漏油的問(wèn)題，經(jīng)計(jì)算分析未能確認(rèn)壓縮率的影響，需要通過(guò)可靠性的臺(tái)架耐久性試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，通過(guò)模擬制動(dòng)系統(tǒng)活塞運(yùn)動(dòng)方式搭建試驗(yàn)臺(tái)，并通過(guò)調(diào)整“O”形圈的壓縮率，對(duì)比在相同試驗(yàn)條件下試驗(yàn)結(jié)束時(shí)“O”形圈壓縮率的變化。

取制動(dòng)器組件，按圖1 設(shè)計(jì)裝配完畢，通過(guò)設(shè)計(jì)相同的“O”形圈與不同尺寸的活塞及制動(dòng)器殼體調(diào)整“O”形圈的壓縮率，模擬整機(jī)實(shí)際解除制動(dòng)的壓力進(jìn)行周期性加載，達(dá)到目標(biāo)試驗(yàn)次數(shù)后拆檢確認(rèn)磨損量，再以不同磨損量進(jìn)行對(duì)比、分析，并且計(jì)算壓縮率的變化，取磨損最小且未發(fā)生漏油為目標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果。

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)臺(tái)搭建包含接油盤(pán)、試驗(yàn)用制動(dòng)器組件、壓力泵站、壓力表、連接油管，試驗(yàn)件的擺放必須按照裝置置于整機(jī)上的位置進(jìn)行，否則會(huì)影響試驗(yàn)效果；必須設(shè)置接油盤(pán)在制動(dòng)器測(cè)試時(shí)有油液流出，避免污染環(huán)境；試驗(yàn)裝置應(yīng)固定，保證試驗(yàn)的安全性。

3.2 試驗(yàn)壓力及次數(shù)的選擇

由于停車(chē)制動(dòng)器工作頻次低，按照壓路機(jī)的使用情況，每天需要使用4次左右。整機(jī)行車(chē)速度慢，一般臨時(shí)停車(chē)時(shí)，駕駛員不操作制動(dòng)器，僅在休息時(shí)實(shí)施停車(chē)制動(dòng)，所以實(shí)際所需的試驗(yàn)時(shí)間較短。按8 s一個(gè)循環(huán)計(jì)算，預(yù)計(jì)2 d可完成一次試驗(yàn)。

停車(chē)制動(dòng)器與行車(chē)制動(dòng)系相比，停車(chē)制動(dòng)器置于輸入端，一般行車(chē)制動(dòng)器置于終端（輪邊減速器附近），所以停車(chē)制動(dòng)器所需的制動(dòng)力矩更小，試驗(yàn)所需要的液壓油壓力更小，一般靜液壓壓路機(jī)駐車(chē)制動(dòng)器壓力取值為1～3.5 MPa。可根據(jù)實(shí)際液壓泵站配置及試驗(yàn)安全性要求，考慮從中選擇合適的試驗(yàn)壓力開(kāi)展試驗(yàn)。本次試驗(yàn)的停車(chē)制動(dòng)器壓力設(shè)置為1.5 MPa。

3.3 試驗(yàn)周期

其中：T為試驗(yàn)周期，h。t1為加壓時(shí)間，s。t2為保壓時(shí)間，s；為保證活塞行程的充分性，t2應(yīng)大于10 s。t3為泄壓時(shí)間，s；根據(jù)試驗(yàn)液壓泵站能力，盡量取小值。n為試驗(yàn)次數(shù)。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)采用5 種不同初始?jí)嚎s率的“O”形圈配套制動(dòng)器（如圖4所示），壓縮率大于14%的試驗(yàn)次數(shù)未能達(dá)到目標(biāo)就出現(xiàn)滲漏，甚至在早期出現(xiàn)扭曲變形的情況?？梢?jiàn)，在干式制動(dòng)器中，壓縮率過(guò)大會(huì)造成不符合工況條件。但是，不能為防止扭曲變形而盲目降低壓縮率，從實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得出，當(dāng)“O”形圈的壓縮率小于5%后，試驗(yàn)初期就出現(xiàn)了滲漏現(xiàn)象，制動(dòng)器失去密封性能。

圖4 5次試驗(yàn)前后的壓縮率對(duì)比

本次試驗(yàn)在同一時(shí)間段完成，試驗(yàn)環(huán)境相同，為避免試驗(yàn)件拆檢與恢復(fù)誤差，均由同一人操作。經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)（如圖4所示），當(dāng)“O”形圈壓縮率控制在6%～13.5%時(shí)，可有效防止“O”形圈翻轉(zhuǎn)扭曲及過(guò)度磨損，進(jìn)而防止壓路機(jī)橋制動(dòng)器發(fā)生早期故障；同時(shí)，補(bǔ)充計(jì)算預(yù)拉伸率及預(yù)壓縮率均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，所以對(duì)靜液壓壓路機(jī)橋駐車(chē)制動(dòng)器“O”形圈密封的改進(jìn)是有效的。

3.5 優(yōu)化方案的延伸

綜合“O”形圈改進(jìn)的方案，同時(shí)驗(yàn)證了新結(jié)構(gòu)形式的密封圈（“X”形圈、“D”形圈）的壓縮率基本與“O”形圈保持一致（如圖5所示），試驗(yàn)結(jié)果良好。此外，進(jìn)一步完善防塵方案，確認(rèn)最終方案（如圖6所示）。

圖5 “X”形圈、“D”形圈示意圖

圖6 制動(dòng)器改進(jìn)方案

外部“O”形圈可有效防塵，防止異物進(jìn)入導(dǎo)致密封圈磨損。支撐導(dǎo)向帶起到支撐作用，保證活塞不偏壓密封圈，而“X”形或“D”形密封圈可有效防止翻滾、扭曲變形。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某款靜液壓壓路機(jī)橋停車(chē)制動(dòng)器的早期漏油問(wèn)題，結(jié)合制動(dòng)器工作特點(diǎn)，對(duì)密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證表明，導(dǎo)致制動(dòng)器早期漏油的主要原因是“O”形圈的壓縮率選取不當(dāng)，引起早期的扭曲變形和過(guò)度磨損。當(dāng)壓縮率控制在6%～13.5%時(shí)，密封性能具有較高的可靠性，可以滿足整機(jī)的使用需求。此外，停車(chē)制動(dòng)密封選擇“O”形圈主要考慮的是“O”形圈模具簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)件多、便于選擇、成本低。其他形式的密封圈也能在解決早期故障漏油問(wèn)題上發(fā)揮重要作用，如“X”形圈、“D”形圈，其不規(guī)則形狀可有效防止扭曲變形及翻轉(zhuǎn)，“X”形圈的密封唇口有兩道，密封效果更好，“D”形圈的密封接觸面積更大，可提升制動(dòng)器密封的性能。