液压缸活塞密封圈非均匀磨损的机理研究及解决方案.pdf

解决方寨 工艺／ 工装／ l u l l ／ 诠断／ 越麓， mi l l ， 改造 蠢雹空目 匹墨 液 压 缸 活 塞 密 封 圈 非 均 匀 磨 损 的 机 理 研 究 及 解 决 方 案 赵家文 金肯职 业技术学院 机械与汽车工程 系 ， 南京 2 l l 1 5 6 M e c h a n i s m o f t h e Une v e n W e a r o n Hy d r a u l i c Cy l i n d e r Pi s t o n Ri ng a nd I t s S o l u t i o n ZHA0 J i a - we n D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l a n d A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g ， J i n k e n C o l l e g e o f T e c h n o l o g y ， N a n j i n g 2 1 1 1 5 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e s e a l p a c k i n g c o l l a r o u t s i d e s u r f a c e i n t h e p i s t o n p l a y s a r o l e i n s e p a r a t i n g t w o c a v i t i e s a n d p r e v e n t i n g l e a k a g e ．Du r i n g t h e wo r k p r o c e s s ，u n e v e n we a r o c c u r s f r e q u e n t l y a l o n g t h e s i n g l e s i d e o f t h e s e a l p a c k i n g c o l l a r b e c a u s e t h a t i t i s e c c e n t r i c b e t we e n c o n n e c t i n g r o d a n d p i s t o n ． Th e e f f e c t f a c t o r s c a n b e e l i mi n a t e d t h r o u g h t h e u s e o f fle x i b l e c o n n e c t i o n b e t we e n r o d a n d p i s t o n ， wh i c h c a n s o l v e t h e p r o b l e m o f u n e v e n we a r ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c c y l i n d e r ； p i s t o n ； r o d ； s e a l p a c k i n g c o l l a r ； fle x i b l e 1引 言 液压缸是液压系统 中的主要执行元件。 目前液压缸 的工作压力可高达 7 0 MP a 。 随着液压系统向大型化、 高压 化发展 ， 液压缸的泄漏问题越来越受到重视。 据有关资料 统计 ，在工程机 械所有故 障 中 ，液压缸漏 油故障 约 占 3 0 ％。液压缸漏油会严重影响设备 的平稳性 、 可靠性和使 用寿命。 准确地分析泄漏产生 的原 因， 可以帮助我们及时 排除液压系统的泄漏故障。 活塞缸在液压传 动中使用非常广泛 ，活塞外表面密 封圈在工作过程 中， 起到隔离两腔 、 防止泄漏的作用 。由 于工作时密封圈始终与缸筒 内表面摩擦 ，因而是需要定 期更换的易损件 。密封圈的磨损正常情况下应是沿周 向 的均匀磨损 ， 但在工程中经常 出现密封圈产生单边 、 局部 的非均匀磨损 ，导致活塞缸短时间内就因泄漏而更换密 封圈 ，直接影 响活塞缸 的效率以及使用该活塞缸装置的 工作效率。 通过分析和研究密封圈产生非均匀磨损 的机理 ， 可 以找出问题所在。 改进活塞缸 的相关结构 ， 解决其产生非 均匀磨损 的问题 ， 对减 小泄漏 、 提高活塞缸的效 率 ， 具有 十分重要的意义。 2 活塞密封图非均匀磨损的机理 活塞缸工作时， 活塞在缸筒 内作往复直线运动 。 在活 塞外表面与缸筒 内表面完全 同心的情况下 ，密封 圈产生 的是均匀磨损 。 在不考虑其它影响因素的情况下 ， 即使活 塞与缸筒在制造 、 装配时不 能做到完全 同心 ， 但 由于装在 活塞外表面密封圈弹性变形后 的弹性力作用 ，缸筒会对 密封圈产生沿周向均匀分布的径 向力 F ， 见图 1 a ， 这个 径向力 F可以确保活塞与缸筒同心 ，使活塞在缸筒 内以 同心 的轨迹做往复运动 ， 见图 1 b ， 这时密封圈产生的是 一 种均匀磨损。 活塞与缸筒是否同心 ，除了受 自身同轴度精度 的影 响外 ， 还与活塞杆有关。 活塞与活塞杆作 为一个整体在缸 筒内作往复直线运动 ， 由于制造工艺 的要求 ， 活塞与活塞 杆 一般是分开制造 ，然后通过适 当的连接方式将二者固 接在一起。 活塞与活塞杆的连接形式很多， 目前采用的基 本都属于刚性连接 ， 见图 2 。 由于制造、 装配的误差， 活塞与活塞杆连接后， 多种 影响因素也可能导致活塞与缸筒产生同轴度误差 ，这些 影响因素包括 机械工程师 2 0 1 0 年第9 期； 1 2 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 艇决方案 E雹翻i 叵田 工芝 ／ 工装／ 穗具／ 诌断／ 超涓 ／ 维偿／ 改造 1 活塞杆连接外表面与活塞 内表面的同轴度误差 ， 见图 2中 A处 ； 2 活塞杆外表面与缸盖内表面的同轴度误差 ， 见图 2中 B处 ； 3 缸筒 内表面与缸盖外表面的同轴度误差 ， 见 图 2 中 C处。 同时 ， 当活塞杆与被驱动负载连接以后 ， 负载对活塞 与缸筒的同轴度也会产生影响。 正是 由于这些叠加产生 的误差 ，使活塞与缸筒不 同 轴 ， 从而导致密封圈产生非均匀磨损 。 要解决上述同轴度误差 ，首先要保证相关零件的加 工精度 ， 如保证活塞杆的直线度 、 活塞密封沟槽的加工精 度 以及活塞杆与活塞的同轴度 ；其次在安装时要避免液 压缸轴心线与负载运动方 向的偏离。因此 ，在零件加工 时 ，尽可能采用先进的工艺方法以保证各个零件的加工 要求 ； 其次 ， 在液压缸装配时， 也应尽量保证缸筒与缸盖 、 缸盖与活塞杆的同心， 防止密封圈的偏磨 ， 这对防止液压 缸的泄漏是非常有效的； 也是非常必要的。 但在液压缸实 际加工过程 中， 由于机床精度 、 零件加工装夹定位 、 分工 序加工等的影响 ，致使液压缸在装配时很难保证上述同 轴度 ， 最终导致密封圈的偏磨 ， 使密封圈的密封效果急剧 下降而失效。 我们 以常见的半环式连接结构为例 ，来分析密封圈 产生非均匀磨损的机理。 当活塞与活塞杆 刚性连接以后 ，由于 制造 、 装配、 使用的原 因，上述分析的三种 原因使活塞轴线与缸 筒 轴 线产 生 一 个 角 度 ， 见 图 3 a 。这 时 密 封 圈上 的变 形 不 等 ，在密封圈上产生 沿周 向非均匀分布的径向力 ， 见图 3 b 。 非均匀分布的径 向力使作用在密封圈上的正压力不等 ，从而使密封 圈与 缸筒 内表面沿周 向产生的摩擦力不等 ，导致磨损量大小 不等 ， 最终造成密封圈沿周 向产生非均匀磨损的结果。 3 解决密封圈非均匀磨损的方法 活塞杆与活塞连接 的功能是将活塞两边 由于压力差 或面积差所产生的力传递给活塞杆，通过活塞杆驱动负 载运动。 从前面的分析可知 ， 在不考虑上述分析的三种原 因的情况下 ，即使活塞外表面与缸筒内表面不能做到完 全 同心， 依靠活塞外表面的弹性密封圈， 也可以保证活塞 与缸体的同轴。 - 所以 ， 应设法排除上述三种原因对活塞与 缸体 同轴度的影响。 在活塞与活塞杆之间采用柔性连接方式 ，可以解决 因为刚性连接及前面所述原因对活塞外表面与缸筒内表 面同轴度的影响 ， 消除密封圈的非均匀磨损 ， 同时不会改 变活塞杆与活塞的连接功能。 1 3 O i 机 械工程师 2 0 1 0 年第9 期 如 图 4所示 ， 活 塞 与 活 塞 杆 之 间 采用 较 大 的 间 隙配合 ， 活塞两端 面 与 两个 压 板 之 间亦 留有 较 大 间 隙 ， 在活塞与活塞 杆之间配置 “ 0 ” 型密封圈， 其弹性系数要小于活塞外表面 密封圈的弹性系数。“ 0 ” 型密封圈有两个作用 一是在活 塞和活塞杆之间起密封作用； 二是通过自身变形， 消除因 为活塞杆与活塞连接以后的误差对活塞外表面与缸筒内 表面同轴度的影响。 当 由于 活 塞 杆连 接外隶 面 与 活 塞 内表 面的 同 轴度误差 、 活塞杆 外 表 面与缸 盖 内 表 面的 同轴度 误 差 、 缸筒内表面与 缸盖外表面的同轴度误差 ，以及活塞杆与被驱动负载连 接 以后负载对 活塞与缸筒同轴度 的影响 ， 使得活塞杆轴 线偏离缸筒轴线时 见图 5 ， 由于活塞与活塞杆之间的 较大 间隙 、活塞两端面 与两个 压板之 间的较大 间隙及 “ 0 ” 型密封 圈所产生 的弹性变形 ， 使得 活塞外表 面在密 封圈弹性力 的作用下保持与缸简内表面 同轴 ， 避免活塞 由于活塞杆轴线偏离缸筒轴线所 引起 的活塞外表面与 缸筒内表面的不同轴， 从而消除了密封圈由于变形不等 而产生 的沿周 向非均匀分布的径 向力 ， 以及随之产生的 非均匀磨损 。 4 结语 密封性能是液压缸 的重要性能之一 ，这项性能的好 坏直接影响液压缸的工作性能 、 可靠性 以及使用寿命 。 为 保证液压缸具有 良好的密封性能 ，可以通过柔性连接方 式 ，将其它因素对活塞外表面与缸体内表面的同轴度影 响消除掉 ， 解决活塞密封圈的非均匀磨损 ， 同时 由于降低 了对活塞 、 活塞杆 、 缸筒及缸盖制造精度的要求 ， 使上述 零件 的加工成本和装配成本降低 ， 达到事半功倍的效果。 [ 参考文献 ] [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 雷天觉新编液压工程手册[ M E 京 北京理工大学出版社 ， 1 9 9 8 ． 赵虹辉． 浅析液压缸活塞杆密封泄漏的原因及改进方法[ J ] ． 液 压气 动与密封 ， 2 0 0 6 4 2 2 2 3 ． 刘玉慧． 液压缸泄漏分析及预防[ J ] ． 山东农机化 ， 2 0 0 7 3 2 4 5 ． 张德 明．改 善液压系统密 封性 能 的方法 探讨 [ J ] ． 液压气动 与密 封 ， 2 0 0 8 2 6 8 ． 刘旭 ． 液压缸中密封件的失效原因分析[ J ] 。 流体传动与控制， 2 0 0 6 5 5 0 5 3 ． 编辑 昊夭 作者 简介 赵 家文 1 9 5 6 一 ， 男， 副教授 ， 工程师 ， 研究方向为液压传动 技 术及装备 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 2 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m