液压破碎锤密封泄漏的分析与改造.pdf

2 0 1 0年 5 月 第 3 5卷 第 5期 润滑与密封 L UB RI CAT1 0N ENGI NEERI NG Ma v 2 01 0 Vo 1 ． 3 5 No ． 5 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 0 ． 0 5 ． 0 2 5 液压破碎锤密封泄漏 的分析与改造 王京 北京电子科技职业学 院北京 1 O 0 0 2 6 摘要 分析液压破碎锤密封泄漏的原 因，指出密封方式没有分段设计、密封件材料的选择不合适和密封件功能单 一 ，且摩擦阻力过大是造成密封泄漏的主要原 因。选择合适 的密封件材料，采用组合密封和两个 串联 的同轴密封圈 ，对 破碎锤密封进行了改造。对改造后破碎锤密封进行了冲击性试验、油温试验和摩擦阻力试验，结果表明，密封件摩擦阻 力和磨损减小 ，液压油温下降，从而延长了破碎锤的使用寿命。 关键词 液压破碎锤 ；密封 ；泄漏量 中图分类号T B 4 2 文献标识码 B 文章编号0 2 5 4 0 1 5 0 2 0 1 0 51 0 6 4 Th e An a l y s i s a n d Tr a ns f o r ma t i o n o f Le a k a g e o f Hy dr a u l i c Br e a k e r S e a l s W a n g J i n g B e i j i n g V o c a t i o n a l C o l l e g e o f E l e c t r o n i c S c i e n c e ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 6 ， C h i n a Ab s t r a c t L e a k a g e c a u s e s o f h y d r a u l i c b r e a k e r s e a l we r e a n aly z e d，i t wa s p o i n t e d o u t t h a t t h ．e ma i n c a u s e s o f s e a l l e a k a g e a r e t h a t t h e h y d r a u l i c b r e a k e r s e a l d i d n’ t a d o p t s e c t i o n a l d e s i g n，t h e s e l e c t e d s e a l i n g ma t e ria l i s n’ t a p p r o p ria t e， t h e s e a l o n l y h a s s i n g l e f u n c t i o n a n d t h e f ric t i o n i s b i g g e r ． Th e h y d r a u l i c b r e a k e r s e a l wa s t r a n s f o r me d b y a d o p t i n g a p p r o p ria t e s e ali n g ma t e rials ， c o mb i n a t i o n s e a l a n d t wo s e rie s o f c o a x i a l rin g， a n d i mp a c t t e s t a n d f ric t i o n t e s t we r e c a r r i e d o u t ． T h e r e s u i t s h o ws t h a t t h e f ric t i o n a n d we a r o f t h e s e al i s r e d u c e d， t h e h y d r a u l i c o i l t e mp e r a t u r e i s d r o p e d， t h e l i f e o f t h e h y d r a u l i c b r e a k e r i s p r o l o n g e d ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c b r e a k e r ； s e al； l e a k a g e 液压破碎锤作为一种通用工程设备，由于其载体 设备的多样 性 、工 作 的灵 活性 、对 恶劣 环 境 的适应 性，广泛应用于楼房拆除、道路建设、冶金和矿山等 工程 中。施 工中常用 的 R H B 3 2 2破碎锤 ，价格为 2 0 3 0万元 ，但在 2 0 0～ 5 0 0 h内就 出现 了冲击频 率 明显 下降 、冲击无 力和漏 油等故 障 ，使用效率低下 ，使用 寿命减少 ，给企业造成 较大的经济损失 。本文作者以 R H B 3 2 2破碎锤为例 ，分析其 密封泄漏 的原 因，并提 出了解决的方案。 1 R H B 3 2 2破碎锤的结构 R H B 3 2 2 破碎锤结构 如图 1 所示 ，它通 过活塞 与 高速换 向阀相互控制对方的油路通 断 ，来实现活塞在 高压氮气和高压油的联合作用下在缸体中作往复冲程 运动 。工作参数如下 流量 1 3 0～ 2 0 0 L ／ m i n ； 收稿 日期 2 0 1 0 0 1 一 O 5 作者简介 王京 1 9 7 5 一 ，女，硕士，主要从事液压气动、机 械等方向研究 ． E m a i l w a n g j i n g 1 0 0 0 2 6 1 2 6 ． c o n 1 ． 工作压力 1 6～1 8 M P a ； 拍 节 3 3 0～ 3 8 0次／ m i n ； 输出功率 6 1 0 0 W； 氮气室压力 0 ． 6～1 ． 2 MP a ； 高压蓄能器压力 5～ 6 M P a 。 图 1 R H B 3 2 2 破碎锤 Fi g 1 RHB 3 2 2 h y d r a u l i c b r e a k e r 2 R H B 3 2 2破碎锤故障分析 R H B 3 2 2 破碎锤原密封结构设计如图2所示。 2 0 1 0年第5期 王京液压破碎锤密封泄漏的分析与改造 1 0 7 I DI 图 2 R H B 3 2 2破碎锤原密封结构 F i g 2 T h e o r i g i n a l s e a l s t r u c t u r e o f RHB3 2 2 h y d r a u l i c b r e a k e r 对该破碎锤密封结构进行分析 ，有 以下缺 陷与不 足 1 密封方式没有分段考虑 。 根据破碎锤的工作原理，柱塞与缸体拉伤的部位 主要集中在提升段、运动段和气液段。提升段和气液 段的密封件起封油、支撑作用，使运动段形成均匀配 合 间隙 ，并得到充分润滑 。提升段应保证液压油不外 泄 ，气液段应满足氮气和液压油不串腔 。原设计 中没 有考虑到各段功能差 异 ，而采用相 同的密封方式。 2 密封件材料 的选择不合适 。 原设计采用的是聚氨酯密封件 I D I ，特别是在 气液段 ，聚氨 酯橡胶 耐水性差 ，工作一段 时间后 ，容 易被氮气中的水分分解 ，且在气室封中，聚氨酯摩擦 力过大，非常容易在温度升高后烧损 ，损坏密封件 ， 造成 内腔压力不稳定 ，从而 引起金 属表 面过度 挤压 ， 油温瞬间升高，使间隙中的油膜变薄，引起缸体被柱 塞拉伤，致使破碎锤报废。 3 密封件 功能单 一 ，且摩擦 阻力 过大。 破碎锤属 于往 复动 密 封 ，密 封 的功 能是 阻止 泄 圃 f l 圆 A ． B 处 放大 漏 ，提高密封性会增加摩擦力 ，摩擦 力增 加直接导致 运动能力与质量降低 ，并且摩擦力过大会加速密封的 磨 损 ，导致密封 被破坏 。所 以在 动密封 中，处理好 密 封 、摩擦 、磨损和润滑的关系，对提高工作件的生命 周期很关键。而原设计中只使用单一功能的 I D I 密封 件 ，很难同时处理好这些因素，并且 I D I 密封件是一 种 大截 面的 U形 圈 ，静 压时 有很 好 的预 紧力 ，工作 时 能承受较大范 围的压力 ，但 同时带来 的柱塞径 向压 力梯度较大 。在 同样 条件 下 ，I D I 的接触 面积 大 ，会 造成较大的摩擦力，使油温升高，使油液过热老化。 正常工作的油温一般在 4 5 5 5℃，但油温超过6 0℃ 后，油温每升高 8℃，油的老化速度则超过 1 倍。油 温升高，油液黏度降低，油膜变薄，造成两直线运动 表面直接摩擦，在破碎锤 3 3 0～ 3 8 0／ m i n的往复运 动下 ，两接触 面很快 磨损拉伤 。也就不难解 释当压力 油从 3 MP a 瞬 间升 高到 1 6 01 8 0 M P a时缓 冲破坏 出 现故障的现象。 3 R H B 3 2 2破碎锤密封结构的改进 改进后 R H B 3 2 2 破碎锤 的密封 结构如 图 3所示 。 ＼ ／ ＼ ／ c处 放大 D处 放大 图3 改进后 R H B 3 2 2破碎锤的密封结构 F i g 3 Th e i mp r o v i n g s e a l s t r u c t u r e o f RHB3 2 2 h y d r a u l i e b r e a k e r 1 0 8 润滑与密封 第 3 5卷 改进 方案中采用 了 N O K的密封件 系列 ，并 考虑 了各段功 能需求上 的差异 。具体改进方法如下 1 选用 H B Y密封件 。H B Y密封件 实际上是一 种带挡圈的聚酰氨酯密封件，截面如图4所示。其特 点是 ① 凹槽左侧角度平缓 ，材料厚重 ，吸收缓 冲性 好 ，能减少柱塞一侧产生的冲击压 力 ；唇 口经过优化 设计 ，保证工作面始终 处在 润滑状 态 ，摩擦磨 损小 ， 寿命长；②倾斜角大 ，增大非摩擦面 槽 内壁 的 贴合力，降低柱塞密封件的摩擦阻力和摩擦热；③材 料 为聚酰胺树脂 ，可承 受 4 0 M P a的压 力 ，抗剪切 能 力远远大于聚氨酯橡胶，增加它可以大大降低对密封 件 的剪切破坏 ；④优化 的截 面几何形状使它有 良好的 回油能力 ，无 困油现象 和背压 。 图4 H B Y密封件 Fig 4 HBY s e a l 2 采用组合密封。在提升段 ，以 H B Y作为主 密封件，承受系统压力，允许一定厚度的油膜通过 ， 保证在 高 压下 有 较 低 的摩擦 磨 损 ；用 I s I 作 为 副密 封 ，利用其低压性 能优 秀的特点 挡住通 过 H B Y的油 膜 ，保证外泄漏为 0 ，且其 截面 和凹槽 比 I D I 小 ，对 柱塞压 力梯 度 小 ，从 而摩 擦 力 小 ，降 低磨 损 ；增 加 D S I 作为补充 ，防尘挡污 。 3 选用两个串联 的 H B T S同轴密封圈 。同轴密 封圈就是 由具有 自润滑性能 、低摩擦 因数 、且与对偶 金属无黏性作用的工程塑料 ，如聚 四氟 乙烯所制成的 密封滑环和作为弹性体的橡胶 O形圈组合而成。其 特点是 ①聚 四氟乙烯是一种稳定性最高 的高性能工 程塑料 ，具有优 良的耐热性 ，其摩擦因数低 ，抗 黏性 优 良，强度和硬度高于合成橡胶 ，但具有与合成橡胶 接近 的柔软性和一定 的变形恢复性能 ；②动 、静态密 封性能均较好 ，两个 同轴密封 圈前后 串联使用 ，几乎 可以达到零泄漏 ；③作为弹性体的 O形圈不与密封 耦合面直接接触 ，不 存在扭 曲、翻转 、挤 隙 等问题 ， 工作可靠 ；④适用于高压 、高速 ，最 高工作压力允许 达到6 0 M P a ，最大往复运动速度允许达 到 1 5 m ／ s ； ⑤适用的温度 范围为 一 4 5～ 2 0 0℃。 4 选用矩 齿封 。选 用 矩齿 形缓 冲气室 封 ，与 I D I 相 比 ，对 柱 塞 的压 应 力 仅 为原 来 和 1 ／ 8～1 ／ 1 0 ， 同时比 “ x ” 形密封多一道缓 冲环 ，不 易被 高压油冲 破 ，不 易被剪切破坏 。 4 试 验测试 对改进后 的 R H B 3 2 2破碎锤 密封结构进行 了冲击 性试验 、油 温试验 和摩 擦 阻力试 验 摩 擦 阻力试 验 时摘掉阀芯，让 I N和 O U T与大气相通 。试验条件 为 油压 1 6～ 1 8 M P a ；冲程 2 0 0 m m；柱塞速度 2 2 0 0 m m ／ s ；试验用油为长城 N 6 8液压油 ；油温 7 0℃ ；缸 体 内径 1 5 0 I n i t l ；滑 动距离 7 9 ． 2 k m。试 验 结果 如 图 5～ 7所示 结 构 试验 后状态 A 、 | R T2 有 帅 “ IJH ＼ 缓 细 微 磨 损 没 有 磨 损 牟 出 冲 A t H BTS ll l H RRT 2 环 哪 ／川 ⋯ ／ 叫＼ ／ ＼ 细 微 磨 损 没 有 磨 损 没 有 挤 出 没 有 I UH l I [B RT2 缓 冲 Ⅲ 磨 损 挤 出 环 图5冲击性试验结果 F i g 5 I mp a c t t e s t r e s ul t s 2 0 1 0年第 5期 王京 液压破碎锤密封泄漏的分析与改造 1 0 9 0O 50 O0 5O 0 口 盘 鲁 ， ／ [ 。 一 | I || L 田I T 诧 V ／ ，， |L | ／ ⋯ ， S - - - - - - - “ ／ ， ／ ’， 2 4 6 8 10 Pr e s s I i r e ／ M P8 一 口-常温，有缓冲环 一 I-常 温 没 有 缓冲 环 - o 一8 0℃， 有缓冲环 一8 0℃． 没 有缓 冲环 图7 摩擦阻力试验结果 F i g 7 F ric t i o n t e s t r e s u l t s 从图5可以看出，在冲击性试验中，使用缓冲环 能明显减 少磨 损 ，且使 用 H B Y密封 件 和 H B T S同轴 密封 圈时没有挤 出现象。 从图6可 以看 出，在 同样 的滑动距离 中，使用 H B Y密封件和 H B T S同轴 密封 圈能明显 降低 油温。 从 图 7可以看出 ，使用缓 冲环能明显减少摩擦阻 力 ，且摩擦力大小相对稳定 。 5结束语 通过选择合适的密封材料 、采用组合密封和两个 串联的同轴密封 圈等方法 ，对 R H B 3 2 2 破碎 锤的密封 结构进行改造 ，并在 冲击性试验 、油温试验和摩擦阻 力试验 中，得到 了密封 件摩擦 阻力 和磨损 明显 减少 、 油温显著下降的验证，在实践使用中破碎锤的使用寿 命 由原 来 的 2 0 0～ 5 0 0 h延 长到 现在 的 3 0 0 0～5 0 0 0 h ，大大提高了工作效率，节约了成本。 参考文献 【 1 】潘新民． 微型机过程控制接 口技术 [ M] ． 武汉 华中理工大 学 出版 社 ， 1 9 8 6 58 ． 【 2 】杨继隆 ， 俞浙青， 裴翔 ， 等． 液压往复密封 的技术进展 [ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 1 ， 1 2 7 8 4 2 8 4 6 ． Ya ng J i l o n g， Yu Zh e q i n g， P e i Xi a n g， e t a 1 ．T e c h n i c a l Ev o l u ti o n o f H y d r a u l i c S e a l s f o r R e c i p r o c a t i n g M o t i o n [ J ] ． C h i n a M e - c h a n i e a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 1 ， 1 2 7 8 4 2 8 4 6 ． 【 3 】张付英， 刘卉 ， 张林静． 液压往复密封理论、 技术与应用的进 展研究[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 7 ， 3 2 3 1 9 4 2 0 1 ． Z h n a g F u y i n g， Uu Hu i ， Z h a n g L i n j i n g ． T h e E v o l u t i o n S t u d y o f The o ri e s ， T e c h n o l o gie s a n d A p p l i c a t i o n o f Hy d rau l i c R e c i p roc a t i n g S e a l [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n gi n e e ri n g ， 2 0 0 7 ， 3 2 3 1 9 4 2 01 ． 【 4 】黄迷梅． 液压气动密封与泄漏防治 [ M] ． 北京 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