大型模锻压机主液压缸密封的研究和失效分析.pdf

液 压 气 动 与 霉p t d ／ 20 1 5年 第 0 6期 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 0 7 大型模锻压机主液压缸密封的研究和失效分析 邱召佩 ， 刘建红， 方丽娟 广州机械科学研究院有限公司 ， 广东 广州5 1 0 7 0 0 摘要 针对大型模锻压机液压缸的特点和技术条件 ， 设计研发了整套液压缸密封， 解决大直径 、 大膨胀量和大挤出间隙的高压密封 问题。根据对密封件的使用情况和密封失效的形式 ， 分析密封失效的原因， 指出液压缸设计和失效密封存在的问题 ， 提出相应的改善 措施和更好的密封解决方案， 以提高密封的可靠性和使用寿命。 关键词 模锻压机； 膨胀； 静密封 ； 焦烧； 挤出 中图分 类号 T H1 3 7 ； T B 4 2 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 6 0 0 1 8 0 4 Re s e a r c h a n d Fa i l u r e Ana l ys i s o f M a i n Hy d r a u l i c Cyl i nd e r Se a l f o r La r ge Di e Fo r g i n g Pr e s s Q I UZ h a o - p e i ， L I UJ i a n h o n g ， F A NG L i -j u a n Gu a n g z h o u Ma c h i n e r y E n g i n e e r i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e C o L t d ． ， G u a n g z h o u 5 1 0 7 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d t e c h n i c a l c o n d i t i o n s f o r l a r g e f o r g i n g p r e s s c y l i n d e r , d e s i g n a n d d e v e l o p me n t o f t h e wh o l e s u p p o r t i n g c y l i n d e r s e a l s ， t o s o l v e t h e p r o b l e m o f h i 【g h p r e s s u r e s e a l wh i c h h a v e l arg e d i a me t e r , l a r g e e x p a n s i o n q u a n t i t y a n d l a r g e e x t r u s i o n g a p ． Ac c o r d i n g t o th e c a s e o f s e a l s e r v i c e a n d the for m o f s e a l i n g f a i l u r e ， a n a l y s i s the c a u s e s o f s e a l i n g f a i l u r e ， p o i n t o u t t h e p r o b l e ms o f c y l i n d e r d e s i g n a n d f a i l u r e s e a l ， p u t for ward t h e r e l e v a n t i mp r o v e me n t me a s u r e s a n d a b e t t e r s e a l i n g s o l u t i o n s ， i n o r d e r t o i mp r o v e t h e r e l i a b i l i ty a n d t h e s e rvi c e l i f e o f t h e s e a l i n g ． K e y wo r d s d i e f o r g i n g p r e s s ； e x p a n s i o n； s t a t i c s e a l ； s c o r c h； s q u e e z e 0 引言 大型模锻压机是衡量一个国家工业实力的重要标 志。迄今为止， 仅有中国、 美国、 俄罗斯、 法国4 个国家 有类似设备 ， 最大锻造等级为俄罗斯的7 ．5 万吨和我国 的8 万吨。大型模锻压机主要用于铝合金 、 钛合金 、 高 温合金、 粉末合金等难变形材料进行热模锻和等温超 基金项 目 国家科技重大专项 2 0 1 3 Z X 0 4 0 1 0 0 2 1 收稿 日期 2 0 1 4 1 卜o 4 作者简 介 邱 召佩 1 9 8 3 一 ， 男 ， 江苏丰县 人 ， 工 程师 ， 学士 ， 主要从 事橡 塑密封的研究与应用。 液压缸 I 和液压缸 Ⅱ下腔 回油 单 向调速阀一液 控单向阀一三位四通换向阀右位一油箱 3 小结 本论文完成设计了一套塑料膜压纹装置， 其利用 液压传动系统 ， 使得其在同等功率和承载能力下具有 体积小、 重量轻、 系统可靠性高等优点。具有过载保护 能力 、 能吸收冲击 载荷 ， 便于实现无级调速 ， 调速范 围 最大可达 1 0 0 0 倍 ， 一个油源可 向所需各方 向传动 ， 实现 多路复合运动 ， 控制准确， 操作轻便 ， 易于实现远距离 控制的特点， 实现液压泵驱动两条液压缸同步升降、 保 压来确保压纹辊子压纹的质量。 1 8 塑性成形 。其锻造特点是可通过大的压力 、 长的保压 时间、 慢 的变形速度来改善变形材料的致密度 ， 用细化 材料 晶粒来提高锻件 的综合性能 ， 提高整个 锻件的变 形均匀性 ， 使锻件满足设计要求 ， 节约材料， 是航空、 航 天及其他重要机械生产重要锻件的关键设备。大型模 锻 液压机是随着航 空工业 的需要而逐步发展起来 的。 目前， 我国的大型模锻压机是应用最先进的预应力钢 丝缠绕剖分一 坎合技术 、 机器人智能缠绕技术等设计而 成 ， 解决 了压机承载机架 、 主工作缸 、 动梁等关键部件 的设计和制造问题， 设备总体性能达到了国际领先水 平 ， 是我 国拥有 自主知识产权 的重大装配项 目。大 型 参考文献 [ 1 ] 雷天觉． 新编液压工程手册[ M】 ． 北京 北京理工大学出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 2 ] 卞学 良． 专用汽车结构与设计[ M】 ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 3 ] 陈奎生． 液压与气压传动【 M] ． 武汉 武汉理工大学出版社， 2 0 0 2 ． 【 4 ] 方桂花． 液压传动[ M】 ． 北京 地震出版社， 2 0 0 2 ． [ 5 ] 梅彦利． 新型散装 自卸半挂车的液压系统[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 1 ， 6 7 0 7 2 ． [ 6 】 梅彦利． 新型混凝土搅拌运输车的液压系统[ J 】 ． 液压与气 动， 2 0 1 0 ， 6 2 3 2 5 ． Hy dr a u l i cs Pne u ma t i cs Se a l s ／ No． 06． 2 01 5 模锻压机具有吨位大、 压制力集中、 比压高等特点。其 锻造 比压 可达 到 1 0 0 0～2 0 0 0 MP a 。为了实现如此高 的 压制 比压 ， 最有效的方法就是提高液压压力 ， 采用超高 压液压 油压为 6 0～1 3 0 Mr ， a ， 如此高的压力 ， 必须解决 密封的技术难题 ， 其主缸密封的保压效果和可靠性至 关重要 ， 本文将 以某大型模锻压机为例 ， 结合主液压缸 的结构特点和技术参数对其成套密封进行研究分析。 1 主液压缸的结构特点和技术参数 主液压缸特点 缸简直径大， 压力大， 冲击载荷大， 偏 载大 ， 缸筒膨胀量大 ， 液压缸 的活塞和缸底均设计有 膨胀环 ， 缸筒部分与缸底分离 ， 结构如图 1 所示。 1 、 2、 4 一 缸底轴 向静密封3 、 7 - 膨胀环端 面径 向静密封5 一 活塞主密封 6、 9 - 导 向环8 一 导 向套静 密封l O 一 活塞杆密封1 卜防尘圈 1 2 一 活塞膨胀 环1 3 一 缸底 膨胀 环A一 腔体 图 1 主缸 结构及密封沟槽 示意图 与 密封 相 关 的主 液压 缸 技术 参 数 缸筒 内径 为 2 9 2 0 m m， 工作压力 6 0 M P a ， 工作速度≤ O ． 1 5 m ／ s ， 介质 温度- 2 0 ～ 7 0 C， 扭矩约 1 0 0 mN m， 介质为液压油 。根据 缸筒材料 、 直径 、 壁厚和压力 等参数 ， 忽略温度变化对 钢材热膨胀变形的影响， 忽略缸体 自重及缸筒和缸底 摩擦力等影响因素， 将钢丝缠绕部分看成同等材料的 实体钢材 ， 利用有限元软件可计算出主缸在 6 0 M P a 压 力下工作时缸筒的膨胀量在2 ．8 1 ～ 3 ． 2 2 m m之间， 再加上 装配预留的间隙， 单侧缸壁与活塞及缸底之间的最大 间隙可达到 2 mm。 2 主液压缸密封的研究 密封件需克服的技术难点 1 过盈量能够补偿缸筒在高压下 的膨胀变形量 ； 2 避免在高压下被挤人间隙而破坏 ； 3 加工工艺 的可行性和稳定性 ； 4 可靠的密封性能 。 为保证密封的可靠性 ， 应以目前较成熟的密封结 构为基础进行产品设计改进和优化。 2 ． 1 主密封 主液压缸工作 时 ， 尤其是保压时 ， 缸体 的膨胀量较 大 ， 因此 活塞主密封结构 的设计综合 了唇形 密封 和挤 压型密封 的特点 ， 唇形密封过盈补偿量大 ， 挤压型密封 则可以提供足够强壮的密封本体 ， 有利于承受较高的 压力和侧 向力 。整套活塞密封均采用高强度和高弹性 材料 ， 能提供初始的预紧力 ， 并且能够在工作过程 中持 续跟随调整， 使用过程中不需要调整密封腔体的尺寸， 不需要进行维护。 主液压 缸的 回程是靠 回程缸完成 的 ， 活塞杆腔为 零压或低压状态 ， 密封杆结构设计 为具有弹性补偿的Y 形和 0形弹性体组 合的型式 ， 如图 2 所示 ， 作用是封堵 活塞腔泄漏的油液 ， 防止其滴落在工件上。 2 ． 2 静密封 缸底 轴 向静密封 图 1中的 1 、 2 、 4 与活塞密封承 受 同样 的高压 。密封件 为了起 到密封作用 ， 材料需要 有较好 的弹性 ， 一般 比较软 。当高压作用且 间隙较大 时 ， 就会被挤人间隙 中， 造成啃蚀破坏 ， 最终导致密封 失效 。材料选择的局限性是密封设计的一个较大难 点， 为使密封件克服被挤人间隙造成啃伤， 选择高强度 聚氨酯材料 ， 考虑密封需补偿缸筒膨胀带来 的沟槽尺 寸变化 ， 缸底轴向静密封结构设计为图 3 a 所示结构。 圈 图2 活塞杆密封 图3缸底静密封 膨胀 环端面径 向静 密封 图 1 中的 3 、 7 和导 向套 静密封结构设计为 图3 b 所 示结构 ， 内外各有两道密封 唇 ， 具有 较好 的密封效果 和防扭 曲作用 ， 端面 的大倒 角， 可使密封跟部远离挤出间隙， 避免挤出。 2 ． 3 导向环 主液压缸工作时， 活塞下端存在较大偏心载荷 ， 因 此在活塞和缸盖处设置多道导 向环 ， 导 向环 由强度较 高 的一种织物增强 的聚酯树脂复合材料制成 ， 可以承 受较高的径 向载荷 ， 最大承载能力达到 4 5 0 N ／ m m ， 具有 非常好 的耐磨性 ， 并 能吸收振 动 ， 表面有微小 的凹陷 ， 用于留存液压油 ， 对导向环提供润滑作用。 3 密封使用情况及分析 压机使用前期 ， 主缸运行状况 良好 ， 后出现不保 压 情况 ， 缸底出现漏油现象。拆缸检查密封件的状况 1 活塞密封和活塞杆密封为动密封 ， 未见 明显的 磨损痕迹， 无撕裂、 啃伤等破损现象， 密封唇过盈量较 使用前变小； 2 导向环局部有轻微磨痕 ， 无 明显磨损和变形 ； 3 导 向套上 的静密封形状和外观完好 ， 有一定 的 1 9 Hy d r a u l i c s P n e u mi c s S e a l s ／ No ． 0 6 ． 2 0 1 5 的泄漏量不得超过 2 ． 5 MP a 。 作者按照 4 0 MP a 的试验压力和某型号的数字压力 表连接进行 1 0 m i n 密封性测试 ， 测试结果见表 3 、 图4 。 表 3 压 力表密封性试验 实测数据 苫 图4 快接接口的泄漏测试曲线 6 结论 经过软件分 析及 现场实验可见 ， 本文所 设计的快 接接 口各项技术指标完全符合设计要求 ， 可以在工作 范 围为4 0 MP a 的压力下进行管路 的连接工作。 参考文献 【 1 】 孔华， 步玉环 ， 马明新． 特殊螺纹接头锥面， 锥面结构密封特 性研究 [ J 】 ． 石油机械 ， 2 0 1 1 ， 4 ． [ 2 】 李勇， 廖锐全．特殊扣油管接头的应力及密封特性分析[ J 】 ．石 油机械 ， 2 0 1 1 ， 4 ． 【 3 ] 王建东， 冯耀荣， 等， 特殊螺纹接头密封结构 比对分析[ J 1 _ 中 国石油大学学报， 2 0 1 0 ， 5 ． 【 4 】 耿志学． 金属对金属密封技术及其在管接头上的应用[ J 】 ． 液 压气动与密封， 2 0 1 2 ， 8 ． [ 5 】 申昭熙， 李磊， 王鹏． 外压作用对特殊螺纹接头内压密封性 影响分析[ J 】 _ 石油工业技术监督 ， 2 0 1 2 ， 8 ． [ 6 】 曹银萍， 张福祥， 杨 向同， 于洋． 不同载荷作用下特殊螺纹油 管接头密封性分析f J 1 _ 制造业 自动化， 2 0 1 2 ， 1 3 ． [ 7 】 步玉环， 孔华 ， 国安平， 马明新． 特殊螺纹接头主密封优化研 究【 J 】 ． 润滑与密封， 2 0 1 l ， 4 ． 【 8 】 周晓君， 魏波． 基于A N S Y S的特殊螺纹接头结构设计与分析 f J 1 ． 机 电工程 ， 2 0 1 2 ， 9 ． 上接第 2 O页 缸底之 间无间隙 ， 从而有效地保护密封件 ， 防止其 被挤 出。此挡环可用强度较高的塑料材料 或软金属材料制 成 。同时可在膨胀环上增加一道密封 ， 如图 1 O 所示 ， 以 提高密封的可靠性和液压缸的使用寿命 。 国 图 9 哑铃型密封 图 1 0 缸底膨胀 环 在液压系统 和液压缸 的设 计 中， 尽 管采取了各种 预防措施， 但是空气污染仍然难以完全避免 ， 系统运行 过程中会有空气进人和气泡产生， 因此在运行过程中 不断排除空气对于系统的正常运行非常重要。 5 结束语 大型模锻压机液压缸需要解决大直径 、 大膨胀量 、 大间隙的高压密封问题。针对液压缸的特点和技术条 件， 设计研发了整套液压缸密封。根据密封件的使用 情况和密封失效的形式 ， 分析密封失效的原因， 指出液 压缸设计和失效密封存在的问题， 提出改善措施和更 好的密封解决方案， 以提高密封的可靠性和使用寿命 ， 确保压机安全高效运行。 参考文献 【 1 】 林峰 ， 颜永年 ， 吴任东， 等． 现代重型模锻液压机的关键技术 【 J 】 ． 机械工程学 报 ， 2 0 0 6 ， 3 9 - 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