一种新型Y形密封单元及其在液压油缸密封中的应用.pdf

2 0 1 1 年 1 2月 第 3 6卷 第 1 2期 润滑与密封 L UBRI CATI ON ENGI NEERI NG De c ． 2 01 1 V0 1 ． 3 6 No ． 1 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 1 ． 1 2 ． 0 2 2 一 种新型 Y形密封单元及 其在液压油缸密封中的应用 唐金涛刘大炜乔永忠 中航工业成都飞机工业 集团有限责任公司 四川成都 6 1 0 0 9 2 摘要针对数控机床用液压平衡油缸密封单元的易损问题，对典型的密封单元失效模式进行总结，在分析一般 0 形圈及Y形圈密封原理的基础上，设计一种新型的 Y形密封单元，并成功用于多台数控机床液压平衡油缸的维修和改 造。实践证明新型 Y形密封单元能大幅提高液压平衡油缸的密封性和寿命，并可应用于其他类型往复运动装置的密封。 关键词 液压平衡油缸 ；Y形圈 ；密封性能 ；数控机床；维护 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 1 1 2 0 9 2 4 A Ne w Y- r i n g Ba s e d S e a l Un i t a nd I t s Ap p l i c a t i o n t o t h e S e a l o f Hy d r a ul i c Cy l i nd e r T an g J i n t a o L i u Da we i Qi a o Yo n g z h o n g C h e n g d u A i r c r a f t I n d u s t ri a l C o ． L t d ， A V I C ， C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 9 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai me d a t t h e a b r a s i o n p r o b l e m o f t h e s e a l c o mp o n e n t o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r a c t i n g a s a c o u n t e r b a l a n c e f o r C NC ma c h i n e t o o l s ， t h e s e a l u n i t s ’t y pi c a l d i s a b l e mo d e s we r e s u mma r i z e d ． Ba s e d o n a n a l y z i n g t he s e al p r i n c i pl e s o f t h e c o mmo n r u b b e r s e ali n g O rin g a n d Y rin g， a n e w Y rin g b a s e d s e al u n i t wa s d e s i g n e d， a n d s u c c e s s f u l l y a p p l i e d i n t h e a l t e r a t i o n s a n d ma i n t e n a n c e s o f s e v e r a l CNC ma c h i n e t o o l s’ c o u n t e r b a l a n c e u s e d h y d r a u l i c c y l i n d e r s ． T h e p r a c t i c e s p r o v e t h a t t h i s n e w Y r i n g b a s e d s e a l u n i t c a n e f f i c i e n t l y i n c r e a s e t h e s e ali n g e f f e c t a n d s e r v i c e l i f e o f t h e h y d r a u l i c c y l i n d e r s ， a n d i t c a n b e a l s o u s e d f o r t h e s e a l i n g o f o t h e r r e c i p r o c a t i n g d e v i c e s ． Ke y wo r d s c o u n t e r b ala n c e - u s e d h y d r a u l i c c y l i n d e r ； r u b b e r s e a l i n g Y rin g ； s e al p e rfo r ma n c e； CNC ma c h i n e t o o l ； ma i n t e na n 液压油缸平衡相对于氮气气缸平衡以及重锤式平 衡，具有反应快 、冲击小、维护方便等优点，目前 已 广泛用于数控机床的主轴箱等部件的平衡。作为机床 关键重型运动部件的平衡装置，液压平衡油缸的性能 直接影响整个机床的精度和可靠性。其工作原理如图 1 所示，活塞缸与立柱固结，活塞杆通过一套滑轮机 构与主轴箱 或滑枕 连接，当主轴箱 或滑枕 沿导轨上下滑动时 ，实时调节 油缸 的油压和流量 ，达 到 自动平衡主轴箱 或滑枕重量的目的。 由于机床工作时，平衡油缸的活塞杆会在主轴箱 或滑枕带动下 ，作频繁的往复运动，使其在承受着很 大轴向力的同时，也承受着一定的交变弯曲应力，这 些交变力会直接作用于活塞与活塞缸 、活塞杆与端盖 之间的密封装置上，因此油缸密封装置是整个平衡系 统最易磨损的部分。 {基金项 目国家科技重大专项项 目 2 0 1 0 Z X 0 4 0 1 5 - 0 1 1 ． 收稿1 3 期 2 0 1 1 0 5 2 4 作者简介唐金涛 1 9 8 2 一 ，男 ，主要从事数控机床机械系统 维修与保养．E m a i l t o m m y 2 5 9 9 1 2 6 ． c o m ． 。▲ 主轴箱l 滑 枕 0 r] 衡 油缸 图 1 数控机床液压平衡油缸工作原理图 F i g 1 Ty p i c a l c o u n t e r ba l a n c e s y s t e m o f CNC ma c hi n e t o o l 由于液压油缸平衡力输出的稳定性及油缸可靠性 主要取决于其密封性。其性能直接影响整个液压平衡 系统的稳定性 ，失效会引起机床驱动过载和定位误 差，严重时则会引起零件质量问题和设备事故，因此 改进液压油缸的密封装置是提高整个液压平衡系统可 靠性的关键。如吴文涛等 。 基于 0形圈、Y x 形圈， 2 0 1 1年第 1 2期 唐金涛等 一种新型 Y形密封单元及其在液压油缸密封中的应用 9 3 设计了具有复杂截面的密封圈用于往复运动密封 ；罗 祯伟等 则针对 H A C C油缸的密封件国产化问题，详 细研究了密封钢带、铝环及密封挡板等的失效形式及 对策；牛曙光 针对煤矿作业用单体液压支柱密封问 题，设计 了一种 新型 同轴 复合密封 装置；俞 明辉 等 “ 则对常用密封件 的选择进行 了研究 ；钟柱等 人 则将有限元分析法引入密封圈受力及失效的分 析中 。 本文作者在分析上述典型密封装置的基础上，为 解决多台数控机床液压平衡油缸故障，以提高密封单 元寿命为目标，针对油缸密封单元的典型失效形式 ， 设计了一种新型的基于 Y形圈的密封单元。通过在 多台数控机床平衡油缸维修和改造中的应用，验证了 这种新型 Y形密封单元的有效性。 1 常用液压平衡油缸 密封原 理 油缸 密封分 为端盖 与活塞杆之间 的密封 以及活塞 与活塞缸之间的密封两部分。 1 ． 1 端盖 与活塞杆之 间密封 端盖与活塞杆之间的常见密封如图2 所示由格 来环和 c型防尘圈组合而成。理想情况下活塞杆 只 沿轴向运动，密封单元只承受内油压力 ，但实际主轴 箱 或滑枕 的运动并不平稳，活塞杆会对密封单 元施加弯曲扭矩及部分轴向力 ，且活塞杆的频繁往复 运动会导致密封单元承受的是一个复杂的、长时间的 交变力 ，将造成端盖导引套 内圆周面的椭 圆形磨损 见图3 ，当磨损造成端盖孑 L 与活塞杆之间的间隙增 到一定程度时 与轴径尺寸有关 ，将引起密封圈的 快速失效。此时由于格来环磨损后的自动补偿能力很 小，液压油会泄漏 ，导致液压缸平衡能力下降，而随 着磨损的进一步加剧 ，最终将引起相应的驱动电机过 载 ，降低该坐标轴精度。同时在系统突然断电的情况 下 ，很可能影响零件的质量。如图3所示 ，某机床液 压平衡油缸导引套内圆直径为 6 3 ． 4 m m，最大磨损厚 度达 0 ． 5 mm。 端 盖 C型防 尘 圈 ⋯ 考 曩 ⋯L【 l_ l_ ⋯⋯⋯ ⋯ 活塞杆 引套 图2 活塞杆与端盖之间的常见密封 Fi g 2 Tr a di t i o n al s e a l b e t we e n t h e p i s t o n a nd t h e c a s i n g 图 3 导引套 内圆磨损示意图 F i g 3 T y p i c a l a b r a s i o n o f the l e a d s l e e v e ’ S i n s i d e r i n g 1 ． 2活塞 与活塞缸之 间的密封 活塞与活塞缸之间的常见密封如图4所示由一 组格来环和左右2个高强度的支撑环组成。由格来环 完成活塞的密封，支撑环完成活塞在往复运动过程中 的定位和支撑导向，同时支撑环还保证活塞与缸体在 相对运动过程中无直接接触 ，避免缸体内部的磨损和 划伤 。 活塞 缸 图4 活塞与活塞缸之间的常见密封 F i g 4 T r a d i t i o n al s e a l b e t we e n t h e pi s t o n a n d the c y l i n d e r 该密封结构的格 来环外 环材质 一般 为填充 P T F E 基础材料为聚 四氟 乙稀及 青 铜粉 ，根据 油缸 不 同 的使用介质 、用途 ，外环材质也不同 。用于液压 件的填充 P T F E材料具有极高的抗压强度 、硬度和耐 磨性 ，良好的导热性，可承受很大的机械负载、工作 压力和运动速度。O形圈一般为耐高温 一3 0～ 2 0 0 o C的氟橡胶材料 ，通过安装时的预紧保证格来环 表面与缸体 的紧密 接触，同时 自动补偿格来 环 的 磨损。 通常情况下，这种密封结构的使用参数及特点 如下 1 工作温度范围为 一 3 5 ～1 9 0℃， 适应范围大； 润滑与密封 第 3 6 卷 2 工作速度 ≤5 m ／ s ，具有较低的摩擦阻力 ， 无滞黏现象 ； 3 工作压力 P ≤2 5 MP a ，最大压力为 4 0 M P a 运动速度 V ≤2 m ／ s 时 ； 4 沟槽设计及安装简单，容易实现标准化。 但是在机床实际运行中，这种密封件经过 1～2 年的使用后，仍会出现密封失效导致的液压平衡油缸 故障 。通过拆卸失效密封组件分析发现，密封失效 的主要原因为格来环磨损后不能有效进行 自动补偿 ， 由于格来环外环材质 P T E F材料本身的特点 ，具有较 高的强度和硬度，导致 O形圈压缩变形后的弹力不 足以使外环产生弹性变形补偿它的磨损，最终导致密 封失效 。 2新型 Y形 密封单元 由上分析知，避免密封失效的关键是减缓端盖 内圆表面由于受活塞杆作用力造成的磨损，提高密封 圈磨损后的密封环 自补偿能力。由于活塞杆受力方式 无法改变，只能从更改密封单元样式和材料人手，其 关键在于密封圈。 在通常设计中 ，格来 环外环 夹在格来环与油缸 内 壁之间，为保证较好的密封性和耐磨性，该层结构呈 圆环形且填充材料很硬 ，因此对于减缓活塞杆对端盖 内圆的冲击以及补偿变形都很有限。针对这种情况， 设计一种新型的Y形密封单元。 普通的Y形密封单元如图 5所示，密封圈截面 呈 Y形 ，液压油 可通过 A 口进 入密 封 圈内部 。Y形 密封圈的主要材料为聚氨酯橡胶，工作温度为 一 3 0～ 1 0 0℃，工作压力一般为 3 0 M P a ，因此具有较好 的 弹性 。 图 5 普通 Y形密封单元 F i g 5 Or d i n a r y Y r i n g s e a l u n i t 在 Y形密封单元完成装配并注入液压油后 ，Y 形密封圈依靠其张开的唇边贴于密封副偶合面 ，其有 效密封压力等于密封圈因弹性变形产生的预压力和液 压油压力之和 无内压时，与密封面的接触压力只等 于弹性变形预压力；有内压时，唇形圈底部将受到轴 向压缩，唇部受到周向压缩 ，与密封面的接触面积增 大，接触压力增加；当内压进一步升高时，接触压力 的分布形式和大小进一步改变 ，唇部与密封面配合更 紧密，密封性更强，这就是 Y形密封圈的 “ 自封作 用” ，保证密封压力随着工作压力的变化 自动调整， 始终保持较好 的密封性。另一方面，由于 Y形圈弹 性较好 ，能有效缓冲活塞杆与密封面的冲击，减缓密 封面磨损，保持整体密封性能不降低。 实际应用中却发现，Y形密封圈的上述优点并未 完全体现，部分液压平衡油缸在更换 Y形密封圈后 ， 经过 一段 时间使用仍然有油液渗漏等情况出现。通 过 进一步分析 ，其 主要原 因为 1 由于 Y形圈变形，使其唇部与导引套外沿 接触导致 A处油路通道被堵死，液压油无法流入 Y 形圈内腔 ，引起密封压力下降； 2 Y形圈在 B部与导引套直接接触 ，Y形 圈 在活塞杆往复运动过程中，背面的一侧可能被油液压 力挤入间隙而损坏和磨损 ，产生 “ 背切”现象。 为解决上述问题，对 Y形密封单元进行调整 在导引套 Y形密封圈安装槽的侧面 ，对应于 Y形密 封圈的开 口方向上均布加工了8 个进油孔，同时在 Y 形圈与导引套之间添加 1 ． 5 m m厚的尼龙挡环，如图 6所示。 图6 新型 Y形密封单元 Fi g 6 Ne w Y r i n g s e a l u n i t 通过上述调整，新的 Y形密封单元能有效利用 液压油的压力，同时避免 “ 背切”失效。 3 新型 Y形密封单元的应 用 3 ． 1 活塞杆 与端盖之 间密封的改进 将新型 Y性密封单元引入液压平衡油缸的改进 中，针对活塞杆 与端盖之间的密封 ，作如下改 进 见图7 为减少端盖内圆表面的椭圆磨损 ，在端盖 2个 密封圈之间增加一道 支撑环 选用 的材 质为 P E F E青铜 ，防止金属运动部件之间的直接接触， 同时起活塞 、活塞杆之间运动导 向的作 用。支撑环的 2 0 1 1 年第 l 2 期 唐金涛等一种新型 Y形密封单元及其在液压油缸密封中的应用 9 5 形状有斜切口、直切口和 z形切 口3 种形式 ，当密封 件需要承受交变压力时，应采用斜切 口或直切 口支撑 环，这实际上是一种有一定间隙的 “ 开式轴承” ，z 形支撑环为闭式支撑 ，可作为密封与支撑两用零件或 防尘圈用。综上，此处活塞杆与端盖之间支撑环选用 斜切 口支撑环。 图 7 改进后的活塞杆与端盖之间密封 F i g 7 T h e i mp r o v e d s e a l b e t we e n t h e p i s t o n a n d t h e c a s i n g 3 ． 2活塞与活塞缸 之 间密封的改进 针对活塞与活塞缸之间密封情况 ，同样引入新型 Y性密封单元以及支撑环 ，对活塞杆与端盖之间的密 封作如下改进 见图8 考虑到活塞双向密封的要 求，在活塞的两侧对称布置了 2个 Y形密 封单元 ， 以改善原有设计中格来环 自补偿能力不足的问题；另 外，为了对活塞的往复运动进行导向，同时提高活塞 整体的密封效果，在2 个 Y形圈之间添加了1 个 z形 切 口的支撑环 。 图8 改进后的活塞与活塞缸之问密封 F i g 8 T he i mp rov e d s e a l b e t we e n t h e p i s t o n a n d the c y l i n d e r 这种组合的密封结构中，活塞与活塞杆在前后两 处支撑环形成的两点支撑下做往复运动，两端的 Y 形密封单元保证了各腔良好的密封性和磨损 自动补偿 能力，支撑环则既对活塞起导向作用 ，同时也能避免 金属之间的直接接触 ，而z形切 口的支撑环在拆装过 程中也比原有设计中的格来环简便。 在实际应用中还需注意在安装时，应使 Y形 密封圈的唇边开口方向面对液压介质，使两唇边张开 以分别贴紧2个密封面；另外安装过程中，要避免 Y 形密封圈的唇边被金属利边划伤。 4 应用效果分析 针对多台数控机床液压平衡油缸故障，在量取油 缸的活塞 、活塞缸和活塞杆等主要零件尺寸的基础 上，按照上述新型 Y形密封单元的构造形式，对端 盖和活塞密封圈等进行了重新设计 、制造 ，并替换原 有密封单元。 通过对比液压平衡油缸维修前后的状态发现 ，改 进后的平衡油缸密封效果和使用寿命都大大增加，具 有更高的耐压性以及高速性能，实际使用表明，其寿 命增加4倍以上。 改进后的密封件的使用参数及特点如下 1 工作温度为 一 3 0～ 1 0 0 o c； 2 工作速度 口 ≤1 5 m ／ s ，具有相当低的摩擦阻 力，无黏附现象； 3 工作压力 P ≤3 2 MP a ，最大压力为 4 0 M P a 运动速度 ≤1 0 m ／ s 时 。 综上，新的密封方式大幅提高液压平衡油缸的工 作速度、最大压力和寿命 ，工作温度的范围有所减 小 ，但满足大多数工作环境。 5 结论 、 1 Y形圈能在油缸 内油压力作用下，内外唇 贴紧 2个密封面，能随油压的变化 自动调节密封接触 面大小及密封压力，并且具有较好的弹性，可自动补 偿端盖内圆等的磨损。 2 新型的 Y形密封单元可最大化发挥 Y形圈 的密封和磨损补偿功能 ，导向环侧面的进油孔保证了 Y形圈内腔油路通畅，尼龙垫环则能避免 Y形圈的 “ 背切” 现象 。 3 支撑环和 Y形密封单元 的组合密封形式 ， 能满足活塞杆与端盖之间以及活塞与活塞缸之间的密 封，前者需要 1 组 Y形密封单元和1 个支撑环 ，后者 需要 2 组对称的Y形密封单元和 1 个支撑环，支撑环 主要起导向作用 ，同时也能进行二次密封。 4 支撑环 的形状与部位有关 ，活塞杆与端盖 之间的密封使用斜切口支撑环，而活塞与活塞缸之间 的密封则使用 z形切 口的支撑环。 5 新型 Y形密封单元能大幅度提高油缸活塞 的运动速度 、承 受压力、寿命 ，具有 良好 的推广 价值。 下转第 1 1 0页 1 1 0 润滑与密封 第3 6卷 图 8 改进后侧盖垫片结构 Fi g 8 T he n e w s i d e c o v e r g a s k e t s t r uc t u r e 2 ． 2 ． 3堵头结构改进 对于堵头漏油 ，在堵头上增加乐泰5 1 6螺纹密封 胶涂层 ，便于装配，增加其密封可靠性。 3 结束语 采用 以上改进措施后 ，经过一段时间的跟踪 ，并 经路试验证 ，漏油发生频次明显降低，基本解决了动 力转向器的漏油问题 ，但动力转向器漏油与制造、装 配及过程控制关系十分紧密，后续还需继续跟踪，加 强控制，才能保证动力转向器漏油的问题不再发生。 参考文献 【 1 】李向东 申孝忠． 汽车转向沉重故障分析[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 0 6 ， 3 1 1 1 2 0 8 ． Li Xi a n g do n g， S he n Xi a o z h o n g ． T h e a n a l y s i s o n s t e e rin g b e a rin g f a i l u r e o f c a m i o n [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， 3 1 1 1 2 08． 【 2 1陈燕， 陈竹君， 陈丹哗． 汽车液压助力转向系统转向液渗漏 的分析及处理[ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 9 ， 3 4 9 1 1 4 1 1 6 ． C h e n Y a h ， C h e n Z h u j u n ， C h e n D a n y e ． A n a l y s i s a n d s o l u t i o n o n s t e e rin g fl u i d l e a k a g e i n v e hi c l e h y d r a u l i c p o we r s t e e rin g s y s t e m[ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9 ， 3 4 9 1 1 41 1 6 ． 【 3 】刘惟信． 汽车设计[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 1 ． 【 4 】王宵锋． 汽车底盘设计[ M] ． 北京 清华大学出版社， 2 0 0 1 ． 【 5 】海争平， 杨志红． 循环球式动力转向器输出端漏油原因分析 [ J ] ． 汽车运用 ， 2 0 0 8 3 4 7 4 9 ． Ha l Zh e u g pi n g， Ya n g Z h i h o n g ．An a n a l y s i s o n t h e f a n o u 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