液壓缸的密封結構

                                液壓缸的密封結構
                                劉觀華
                    (沈陽東北電力調節技術有限公司,遼寧沈陽 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理,分析了影響密封的幾個因素,同時介紹了密封系統設計時應考慮的因素,最后還指出了為了使密封效果理想,裝配時應注意事項。
    關鍵詞:液壓;液壓缸;密封。
1、引言
     液壓缸作為液壓系統的執行元件,以直線往復運動或回轉擺動的形式,將液壓能轉變成機械能。液壓缸結構簡單,制造容易,用來實現直線往復運動尤其方便,應用范圍很廣。
     液壓缸的種類很多,按額定壓力、使用領域工作特點、結構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、液壓往復用密封圈的分類和密封機理
2.1、概述
     在大量的應用場合中,由于使用要求和負荷不同,推動了密封圈不同類別的發展。因此有必要根據功能和結構對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稱的密封圈和斷面不對稱的密封圈。不對稱的密封圈的設計的目的是,在裝配后它們就與靜態側整個軸向寬度過盈接觸,保證適當地在槽內就位。因此,作用在動態側的正向預壓力,只會在密封圈裝入腔體之后才能產生。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、密封機理、摩擦和磨損
2.2.1、靜態密封
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壓力Pv來實現密封;被密封介質的壓力P疊加于初始預壓力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 壓縮作用與流體動力學形成潤滑油膜的關系
2.2.2、潤滑油膜的形成
借助于運動,在密封唇滑動表面下方被液體濕潤的表面被拉動。密封圈起到液體刮擦器的作用,但并不是完全把它刮掉。這些液體通過滑動形成了推進流,由于流體動力學產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入口處形成的壓力曲線

的最大斜率,就是油液進入被密封間隙側入口處時形成的最大壓力梯度,同時它還取決于油液的動態黏度η及取決于密封圈與滑動表面之間的相對速度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,就達到了所謂的動態密封。
2.2.3摩擦
     液壓密封圈的摩擦,主要受到密封圈與滑動表面之間的潤滑油膜厚度的影響,可能出現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 摩擦力與速度關系曲線
    在啟動時候,首先必須克服高的靜態摩擦力,隨著速度升高,有更多的液體從密封圈與滑動表面之間被抽出,于是滑動表面以及直接接觸面便減小,摩擦力迅速下降。
    隨著速度的進一步提高,便進入油液摩擦區。摩擦力隨著速度升高而再次開始升高。在這個動液潤滑區里,摩擦力的產生僅僅因為油液里的剪切應力τ的緣故。
2.2.4、磨損
     液壓密封的磨損,決定于潤滑油膜的厚度以及摩擦狀態。
    大多數密封圈都在混合摩擦區起作用,并受到連續性磨損的影響。
    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特性、滑動摩擦材料表面以及液壓油的潤滑特性。液壓油里的空氣以及外界帶入的贓物,也會影響磨損。
3、密封圈的物理和化學影響因素
3.1、工作壓力
     液壓系統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。
     在液壓缸工作過程中,密封元件應能承受連續的壓力變化。此外,由于外部環境影響,經常會在某一時刻出現短暫的脈動的壓力峰值。這類壓力峰值沖擊負荷,往往達到液壓系統工作壓力值的幾倍。所以,在選擇密封圈時必須考慮它的影響。
3.2、背壓
    當導向環是處于封閉的安裝公差情況下,通過運動會在導向環與密封圈之間的空隙里,形成環狀分布的流體動態壓力,其原因是流體動力構成的推進流,該推進流的梯度與介質的動態黏度 η、間隙寬度h3、速度v以及導向長度L有關,如圖6所示。

                       圖6 流體動力學推進阻力

    導向環形成的壓力增加,可用下式來計算:

     在使用金屬導向支撐環時必須在導向環上設置用于平衡壓力的回油槽,通過壓力平衡,避免生成流體動力學壓力(背壓)。否則,將會由于壓力太高而使密封圈過早破壞。作為參考,回油槽的油道要設計成螺旋結構的形狀,其斷面要大于間隙的表面面積。
    應避免設置軸向壓力補償的卸壓孔,因為它會產生噴油作用而使密封圈損壞。
    塑料導向帶和導向環的端部對接口之間的間隙,會自然形成回油槽。
3.3、速度
     對于橡膠以及聚氨酯材質來說,密封圈與軸的接觸面之間的相對運動速度,通常都在0.1m/s到0.5m/s之間。不過,單獨使用的場合是決定性因素。同一密封件在做輔助密封時,速度可以達到0.8m/s;而對于PTFE材質,則允許5m/s以及5m/s以下的速度。
     潤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的區域內,摩擦力迅速增加。特別是在高溫條件下,還會出現爬行現象。在密封圈與接觸面之間出現停滯和滑動,是一種連續性的重復運動。
    作為一種補救措施,要使用具有低摩擦系數的材料(例如PTFE)。
3.4、溫度
     液壓介質的溫度以及環境溫度,都會影響材質的選擇。
     保證密封功能和油液穩定性最佳溫度為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。
     液壓油缸工作時的一般溫度,通常是80℃ 左右,極端情況下溫度可達110℃ 。
     隨著溫度升高,密封圈的材質變得更有彈性,同時也失去了結構的穩定性。為此,在110℃ 極限溫度以下使用聚氨酯材質時,密封圈最好在溫度較低(80℃ )的工況下跑合一段時間。根據各自的工作條件,選用金屬彈簧或由FKM或NBR制作的0型圈,作為動態唇的輔助支撐件,可能是有好處的。
     如果已經預料到溫度會超過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。而密封圈的穩定性幾乎不受油液黏度增大的影響。
3.5、液壓介質
     在流體傳動中,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油就是礦物油。
     油的潤滑效果,對于運動部件的耐磨性能極其重要。油的黏度以及為改善潤滑條件使用的添加劑,將影響潤滑效果。
     液壓油都是按DIN51519標準規定,進行黏度分類。以基準溫度40℃ 時的公稱黏度,作為分類的依據。
     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。根據公稱黏度和溫度,在大約40MPa的時候就要增加一倍。
     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(Ⅵ )。液壓油的黏度指數越高,黏度對溫度的依賴性就越低。
3.6、油路里的污染
     液壓油會被諸如沙子、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,就會造成液壓系統里出現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入到密封刃下面,就會造成密封圈損壞。
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,液壓油會吸進更多的處于分子狀態的空氣,當壓力下降時,溶解的空氣便被釋放,生成小的氣泡,頻繁地集結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-油混合物受熱達到燃燒和爆炸的程度,這種現象稱作“狄塞爾效應”,假如這種現象頻繁發生,就會破壞密封圈。
     在這個運動過程中,由于存在尚未溶解的空氣,它還會進一步損壞密封圈。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,其膨脹程度就越大。這種氣泡,在侵入密封圈表面時,會造成縱向的腐蝕情況。又因為液壓油的流動沖刷和腐蝕,密封圈還會受到進一步的損壞。
     如果整個液壓系統在調試之前仔細地進行排氣,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的設計
4.1、液壓密封圈/密封設計選型注意事項
    除了具備良好的密封作用的主要要求外,密封圈還應具有如下幾個特點:
(1)密封功能的穩定性和可靠性。
(2)使用工作壽命長。
(3)易于裝配。
(4)在高、低溫度下與液壓流體相溶性好。
(5)抗機械損傷(例如從間隙中擠出)的特性強。
(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,在運行過程中產生偏心和不同軸度,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鍵因素�？紤]到各自的使用條件,在長期的運轉和有壓力沖擊的工況或其他停停開開的苛刻工作條件下,建議不要同時過量地使用極限值。
4.2、密封系統
4.2.1 綜述
     活塞桿密封系統如圖7所示。單個密封圈在使用條件要求很高的情況下,通常都無法同時滿足所有的期望,或者由于負荷太高而縮短使用壽命。當下列極端使用條件和要求同時出現時,應采用有針對性的密封系統設計。
(1)工作壓力高,沖擊速度高。
(2)行程長和工作周期長且繁重,又要求泄漏小,密封摩擦低,工作壽命長而可靠。

                             圖7：活塞桿密封系統

     組成密封系統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良的密封效果。
  (2)優良的耐磨性。
  (3)在低壓工況下與雙唇防塵圈結合使用時,具有良好的殘油回抽能力。
4.2.4 導向元件
  (1)承壓情況下變形量最低不易損壞。
  (2)優良的耐磨性。
  (3)摩擦系數低。
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
  (1)單向密封安裝時必須將密封件受壓一側面對壓力腔。
  (2)缸筒腔及活塞桿的端部的棱邊部位都要設置加工導入角,以免在裝配過程損壞密封圈。適用的導入角表面粗糙度為Rt≤ 4um。從倒角到滑動表面的過度區邊緣,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被遮蓋,防止安裝時密封件在溝槽或粗糙的表面被劃傷。
(5)機加工殘留物、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、活塞桿以及缸筒內腔都必須涂敷機油或黃油或其它潤滑脂,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原。
6、結束語
     以上的介紹能為液壓油缸密封系統的設計提供參考,但不同的使用工況都有它最佳的密封系統,設計選型時必須根據實際工況進行計算和考慮。另外,為了保證設計出來的密封系統能達到預期的目的,還必須在零件加工和裝配工藝上嚴格控制,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,從而使密封效果達到或接近預期的目的。
      參考文獻
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