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                                液壓缸的密封結(jié)構(gòu)
                                劉觀華
                    (沈陽(yáng)東北電力調(diào)節(jié)技術(shù)有限公司,遼寧沈陽(yáng) 110179)
            Seal Configuration of Hydraulic Cylinder
     摘 要:本文介紹了常用液壓缸密封的分類和密封機(jī)理,分析了影響密封的幾個(gè)因素,同時(shí)介紹了密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素,最后還指出了為了使密封效果理想,裝配時(shí)應(yīng)注意事項(xiàng)。
    關(guān)鍵詞:液壓;液壓缸;密封。
1、 引言
     液壓缸作為液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件,以直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)擺動(dòng)的形式,將液壓能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造容易,用來實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)尤其方便,應(yīng)用范圍很廣。
     液壓缸的種類很多,按額定壓力、使用領(lǐng)域工作特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)形式和作用等不同的歸類方法可以有不同的分類方法。但無論何種液壓缸,影響其使用壽命和可靠性的往往都取決于密封圈的選型和使用。
2、 液壓往復(fù)用密封圈的分類和密封機(jī)理
2.1、 概述
     在大量的應(yīng)用場(chǎng)合中,由于使用要求和負(fù)荷不同,推動(dòng)了密封圈不同類別的發(fā)展。因此有必要根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)對(duì)液壓密封圈加以分類,如圖1所示。
                   
                           圖1： 液壓密封圈的分類
    液壓缸用密封圈也可以分為斷面對(duì)稱的密封圈和斷面不對(duì)稱的密封圈。不對(duì)稱的密封圈的設(shè)計(jì)的目的是,在裝配后它們就與靜態(tài)側(cè)整個(gè)軸向?qū)挾冗^盈接觸,保證適當(dāng)?shù)卦诓蹆?nèi)就位。因此,作用在動(dòng)態(tài)側(cè)的正向預(yù)壓力,只會(huì)在密封圈裝入腔體之后才能產(chǎn)生。如圖2和圖3所示。
            
                    圖2 活塞桿用密封圈                  圖3 活塞用密封田
2.2、 密封機(jī)理、摩擦和磨損
2.2.1、靜態(tài)密封
      在靜止條件下,所有的液壓密封圈都是通過過盈配合形成的初始預(yù)壓力Pv來實(shí)現(xiàn)密封;被密封介質(zhì)的壓力P疊加于初始預(yù)壓力Pd。      于是,作用在密封表面的壓縮力總是大于被密封的壓力,如圖4所示。
                 
                         圖4 壓縮作用與流體動(dòng)力學(xué)形成潤(rùn)滑油膜的關(guān)系
2.2.2、潤(rùn)滑油膜的形成
     借助于運(yùn)動(dòng),在密封唇滑動(dòng)表面下方被液體濕潤(rùn)的表面被拉動(dòng)。密封圈起到液體刮擦器的作用,但并不是完全把它刮掉。這些液體通過滑動(dòng)形成了推進(jìn)流,由于流體動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生的壓力而使密封圈唇緣從表面被抬起。在密封圈后面的滑動(dòng)表面上,留下了一層很薄的殘留油膜。形成的油膜厚度h,取決于密封副間隙側(cè)入口處形成的壓力曲線的最大斜率,就是油液進(jìn)入被密封間隙側(cè)入口處時(shí)形成的最大壓力梯度,同時(shí)它還取決于油液的動(dòng)態(tài)黏度η及取決于密封圈與滑動(dòng)表面之間的相對(duì)速度v,如圖4所示。
     如果殘留油膜在回程中再次被抽回至高壓腔中,就達(dá)到了所謂的動(dòng)態(tài)密封。
2.2.3摩擦
     液壓密封圈的摩擦,主要受到密封圈與滑動(dòng)表面之間的潤(rùn)滑油膜厚度的影響,可能出現(xiàn)3種摩擦情況。
        (1)靜摩擦(干摩擦)。
        (2)混合摩擦(干摩擦加上油液摩擦)。
        (3)油液摩擦(沒有干接觸)。
    這三種情況如圖5所示。
                
                        圖5 摩擦力與速度關(guān)系曲線
    在啟動(dòng)時(shí)候,首先必須克服高的靜態(tài)摩擦力,隨著速度升高,有更多的液體從密封圈與滑動(dòng)表面之間被抽出,于是滑動(dòng)表面以及直接接觸面便減小,摩擦力迅速下降。
    隨著速度的進(jìn)一步提高,便進(jìn)入油液摩擦區(qū)。摩擦力隨著速度升高而再次開始升高。在這個(gè)動(dòng)液潤(rùn)滑區(qū)里,摩擦力的產(chǎn)生僅僅因?yàn)橛鸵豪锏募羟袘?yīng)力τ的緣故。
2.2.4、磨損
     液壓密封的磨損,決定于潤(rùn)滑油膜的厚度以及摩擦狀態(tài)。
    大多數(shù)密封圈都在混合摩擦區(qū)起作用,并受到連續(xù)性磨損的影響。
    伴隨著工作壓力、溫度以及速度條件的變化,磨損還主要取決于物質(zhì)特性、滑動(dòng)摩擦材料表面以及液壓油的潤(rùn)滑特性。液壓油里的空氣以及外界帶入的贓物,也會(huì)影響磨損。
3、 密封圈的物理和化學(xué)影響因素
3.1、 工作壓力
     液壓系統(tǒng)壓力以及缸筒尺寸決定了密封圈的工作壓力。這是選擇密封圈以及所用材料硬度的首要依據(jù)。
     在液壓缸工作過程中,密封元件應(yīng)能承受連續(xù)的壓力變化。此外,由于外部環(huán)境影響,經(jīng)常會(huì)在某一時(shí)刻出現(xiàn)短暫的脈動(dòng)的壓力峰值。這類壓力峰值沖擊負(fù)荷,往往達(dá)到液壓系統(tǒng)工作壓力值的幾倍。所以,在選擇密封圈時(shí)必須考慮它的影響。
3.2、背壓
    當(dāng)導(dǎo)向環(huán)是處于封閉的安裝公差情況下,通過運(yùn)動(dòng)會(huì)在導(dǎo)向環(huán)與密封圈之間的空隙里,形成環(huán)狀分布的流體動(dòng)態(tài)壓力,其原因是流體動(dòng)力構(gòu)成的推進(jìn)流,該推進(jìn)流的梯度與介質(zhì)的動(dòng)態(tài)黏度 η、間隙寬度h3、速度v以及導(dǎo)向長(zhǎng)度L有關(guān),如圖6所示。
                 
                       圖6 流體動(dòng)力學(xué)推進(jìn)阻力

    導(dǎo)向環(huán)形成的壓力增加,可用下式來計(jì)算:
           
     在使用金屬導(dǎo)向支撐環(huán)時(shí)必須在導(dǎo)向環(huán)上設(shè)置用于平衡壓力的回油槽,通過壓力平衡,避免生成流體動(dòng)力學(xué)壓力(背壓)。否則,將會(huì)由于壓力太高而使密封圈過早破壞。作為參考,回油槽的油道要設(shè)計(jì)成螺旋結(jié)構(gòu)的形狀,其斷面要大于間隙的表面面積。
    應(yīng)避免設(shè)置軸向壓力補(bǔ)償?shù)男秹嚎?因?yàn)樗鼤?huì)產(chǎn)生噴油作用而使密封圈損壞。
    塑料導(dǎo)向帶和導(dǎo)向環(huán)的端部對(duì)接口之間的間隙,會(huì)自然形成回油槽。
3.3、速度
     對(duì)于橡膠以及聚氨酯材質(zhì)來說,密封圈與軸的接觸面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,通常都在0.1m/s到0.5m/s之間。不過,單獨(dú)使用的場(chǎng)合是決定性因素。同一密封件在做輔助密封時(shí),速度可以達(dá)到0.8m/s;而對(duì)于PTFE材質(zhì),則允許5m/s以及5m/s以下的速度。
     潤(rùn)滑油膜的形成以及摩擦,在很大程度上取決于速度。在速度低于0.05m/s的區(qū)域內(nèi),摩擦力迅速增加。特別是在高溫條件下,還會(huì)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。在密封圈與接觸面之間出現(xiàn)停滯和滑動(dòng),是一種連續(xù)性的重復(fù)運(yùn)動(dòng)。
    作為一種補(bǔ)救措施,要使用具有低摩擦系數(shù)的材料(例如PTFE)。
3.4、溫度
     液壓介質(zhì)的溫度以及環(huán)境溫度,都會(huì)影響材質(zhì)的選擇。
     保證密封功能和油液穩(wěn)定性最佳溫度為40-50℃之間。由于摩擦的作用,密封唇部的溫度明顯地高于油液的溫度。
     液壓油缸工作時(shí)的一般溫度,通常是80℃ 左右,極端情況下溫度可達(dá)110℃ 。
     隨著溫度升高,密封圈的材質(zhì)變得更有彈性,同時(shí)也失去了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。為此,在110℃ 極限溫度以下使用聚氨酯材質(zhì)時(shí),密封圈最好在溫度較低(80℃ )的工況下跑合一段時(shí)間。根據(jù)各自的工作條件,選用金屬?gòu)椈苫蛴蒄KM或NBR制作的0型圈,作為動(dòng)態(tài)唇的輔助支撐件,可能是有好處的。
     如果已經(jīng)預(yù)料到溫度會(huì)超過110℃ ,那么就有必要采用特殊材料(例如FKM/PTFE)。密封圈材料的硬度隨著溫度的降低而增加,這可使密封圈失去彈性。而密封圈的穩(wěn)定性幾乎不受油液黏度增大的影響。
3.5、液壓介質(zhì)
     在流體傳動(dòng)中,使用不同類的液壓油從泵向液壓缸傳遞能量。其中最常用的液壓工作介質(zhì)油就是礦物油。
     油的潤(rùn)滑效果,對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件的耐磨性能極其重要。油的黏度以及為改善潤(rùn)滑條件使用的添加劑,將影響潤(rùn)滑效果。
     液壓油都是按DIN51519標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,進(jìn)行黏度分類。以基準(zhǔn)溫度40℃ 時(shí)的公稱黏度,作為分類的依據(jù)。
     液壓油的黏度決定于壓力和溫度。從大約20MPa的壓力起,黏度增加十分明顯。根據(jù)公稱黏度和溫度,在大約40MPa的時(shí)候就要增加一倍。
     油的黏度隨著溫度升高而迅速下降。這種黏度-溫度特性的特征值被稱作黏度指數(shù)(Ⅵ )。液壓油的黏度指數(shù)越高,黏度對(duì)溫度的依賴性就越低。
3.6、油路里的污染
     液壓油會(huì)被諸如沙子、被腐蝕掉的金屬物、鐵末以及氧化物的污染(油由于高溫和氧化作用而老化)。如果液壓油過濾不充分,就會(huì)造成液壓系統(tǒng)里出現(xiàn)密封圈以及其他部件的功能故障。如果鐵末和磨蝕性沙粒此類小顆粒進(jìn)入到密封刃下面,就會(huì)造成密封圈損壞。
3.7、油里的空氣
     在所有液壓流體中都存在有溶解狀態(tài)的空氣分子。這種溶解在油里的空氣,一般情況下并不干擾密封圈的功能。
    隨著壓力增大,液壓油會(huì)吸進(jìn)更多的處于分子狀態(tài)的空氣,當(dāng)壓力下降時(shí),溶解的空氣便被釋放,生成小的氣泡,頻繁地集結(jié)在沒有填滿油的密封圈溝槽的間隙里。等到壓力突然升高,氣-油混合物受熱達(dá)到燃燒和爆炸的程度,這種現(xiàn)象稱作“狄塞爾效應(yīng)”,假如這種現(xiàn)象頻繁發(fā)生,就會(huì)破壞密封圈。
     在這個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中,由于存在尚未溶解的空氣,它還會(huì)進(jìn)一步損壞密封圈。被吸入油中的氣泡在密封圈與接觸面之間膨脹,往往越靠近密封圈的無壓力側(cè),其膨脹程度就越大。這種氣泡,在侵入密封圈表面時(shí),會(huì)造成縱向的腐蝕情況。又因?yàn)橐簤河偷牧鲃?dòng)沖刷和腐蝕,密封圈還會(huì)受到進(jìn)一步的損壞。
     如果整個(gè)液壓系統(tǒng)在調(diào)試之前仔細(xì)地進(jìn)行排氣,油里的空氣造成的損害是可以限制的。
4、液壓密封圈的選型及密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1、液壓密封圈/密封設(shè)計(jì)選型注意事項(xiàng)
    除了具備良好的密封作用的主要要求外,密封圈還應(yīng)具有如下幾個(gè)特點(diǎn):
 (1)密封功能的穩(wěn)定性和可靠性。
 (2)使用工作壽命長(zhǎng)。
 (3)易于裝配。
 (4)在高、低溫度下與液壓流體相溶性好。
 (5)抗機(jī)械損傷(例如從間隙中擠出)的特性強(qiáng)。
 (6)摩擦性低。
 (7)彈性性能好,確保正常工作,即便遇到活塞桿與腔體或者活塞與缸筒之間,在運(yùn)行過程中產(chǎn)生偏心和不同軸度,以及由于使用壓力而引起缸筒筒體膨脹造成的不同軸度,也能正常工作。
     在特殊情況下以上這些要求的主、次以及使用條件(壓力、溫度、線性速度,等等)都是選擇液壓密封圈的關(guān)鍵因素�？紤]到各自的使用條件,在長(zhǎng)期的運(yùn)轉(zhuǎn)和有壓力沖擊的工況或其他停停開開的苛刻工作條件下,建議不要同時(shí)過量地使用極限值。
4.2、密封系統(tǒng)
4.2.1 綜述
     活塞桿密封系統(tǒng)如圖7所示。單個(gè)密封圈在使用條件要求很高的情況下,通常都無法同時(shí)滿足所有的期望,或者由于負(fù)荷太高而縮短使用壽命。當(dāng)下列極端使用條件和要求同時(shí)出現(xiàn)時(shí),應(yīng)采用有針對(duì)性的密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
 (1)工作壓力高,沖擊速度高。
 (2)行程長(zhǎng)和工作周期長(zhǎng)且繁重,又要求泄漏小,密封摩擦低,工作壽命長(zhǎng)而可靠。
               
                             圖7：活塞桿密封系統(tǒng)

     組成密封系統(tǒng)的密封圈必須具備一定特性，以下分別加以說明。
4.2.2 主密封圈                    
  (1)優(yōu)良的密封功能。
  (2)較好的殘油回抽能力。
  (3)耐磨性高。
  (4)有良好的卸壓功能。
4.2.3 副密封圈
  (1)在低壓工況下具有優(yōu)良的密封效果。
  (2)優(yōu)良的耐磨性。
  (3)在低壓工況下與雙唇防塵圈結(jié)合使用時(shí),具有良好的殘油回抽能力。
4.2.4 導(dǎo)向元件
  (1)承壓情況下變形量最低不易損壞。
  (2)優(yōu)良的耐磨性。
  (3)摩擦系數(shù)低。
4.2.5 防塵密封圈
  (1)高除塵的刮擦除塵功能。
  (2)在活塞桿回程時(shí)軸面能留下極薄的殘留油膜。
5、 液壓密封圈的裝配注意事項(xiàng)
  (1)單向密封安裝時(shí)必須將密封件受壓一側(cè)面對(duì)壓力腔。
  (2)缸筒腔及活塞桿的端部的棱邊部位都要設(shè)置加工導(dǎo)入角,以免在裝配過程損壞密封圈。適用的導(dǎo)入角表面粗糙度為Rt≤ 4um。從倒角到滑動(dòng)表面的過度區(qū)邊緣,必須倒圓角和拋光。
 (3)尖銳的刃邊都要去毛刺,或者倒角或者倒半徑圓角。
 (4)刃邊、螺紋、鍵槽或類似部位等在裝配之前應(yīng)被遮蓋,防止安裝時(shí)密封件在溝槽或粗糙的表面被劃傷。
 (5)機(jī)加工殘留物、鐵屑、塵土以及其他外界雜物必須被清除掉。
 (6)不得使用帶銳邊的工具。
 (7)安裝前,密封圈、活塞桿以及缸筒內(nèi)腔都必須涂敷機(jī)油或黃油或其它潤(rùn)滑脂,然后才能裝配。
  (8)在裝配之前,要把密封圈放在70-90℃ 的熱油里加熱,使密封件具有彈性,這樣就更容易裝配。
  (9)活塞及活塞桿密封圈在安裝到腔體或溝槽中后,需要用事先加工好的芯軸或套筒將密封圈復(fù)原。
6、 結(jié)束語(yǔ)
     以上的介紹能為液壓油缸密封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考,但不同的使用工況都有它最佳的密封系統(tǒng),設(shè)計(jì)選型時(shí)必須根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行計(jì)算和考慮。另外,為了保證設(shè)計(jì)出來的密封系統(tǒng)能達(dá)到預(yù)期的目的,還必須在零件加工和裝配工藝上嚴(yán)格控制,以便最合理的密封圈能以最合理的方式安裝到最合適的溝槽中,從而使密封效果達(dá)到或接近預(yù)期的目的。
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