液壓缸活塞桿失效原因及防止措施

1. 液壓缸組成及工作原理簡(jiǎn)介

    如圖W所示為液壓缸的結(jié)構(gòu)圖。液壓缸的兩端都帶有活塞桿，它主要由耳座、缸體、接管、活塞桿、導(dǎo)向套、活塞等組成，缸筒與缸蓋用法蘭連接，活塞與缸筒內(nèi)壁之間采用間隙密封。工作原理是：當(dāng)A口進(jìn)液時(shí)，壓力油進(jìn)入活塞腔，活塞桿腔的回油經(jīng)B口回油池，因活塞桿是鉸接在牽引部上的，所以缸體前伸，完成前進(jìn)的動(dòng)作；當(dāng)B口進(jìn)油時(shí)，壓力油進(jìn)入活塞桿腔，活塞腔的回油經(jīng)A口回油池，缸體回縮，完成后退的動(dòng)作。

2．活塞桿失效的形式和特點(diǎn)

    液壓缸的結(jié)構(gòu)是否合理、密封是否良好，對(duì)于液壓機(jī)械的參數(shù)及性能均有重大影響。導(dǎo)致密封失效有以下幾種。

    (1)產(chǎn)生背壓失效。

    在活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的情況下，密封依靠活塞桿和密封件的接觸表面之間的流體膜中的彈性流體動(dòng)壓作用。此時(shí)，由于彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑的存在，密封件或多或少會(huì)帶一些油膜出去，黏附在活塞桿表面。從密封效果（泄漏）來看，一定厚度的油膜潤(rùn)滑，能降低摩擦力和減少磨損，提高密封件的使用壽命。所以，活塞桿密封問題，實(shí)際上是密封和摩擦磨損及潤(rùn)滑的矛盾，僅使用一個(gè)密封元件，很難同時(shí)達(dá)到零泄漏和低摩擦的要求。將2個(gè)密封件背對(duì)背串聯(lián)起來使用是解決這一矛盾的最常用方法。

    當(dāng)兩個(gè)密封件前后串聯(lián)安裝時(shí)，被活塞桿從油腔中拉出的微油膜會(huì)在兩道密封之間的密封區(qū)內(nèi)匯集形成油環(huán)，隨著活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，中間的空間逐漸地充滿液體，并且一旦被充滿，根據(jù)滑動(dòng)速度，中間空間壓力可變得很高，迫使密封分開。同時(shí)，密封件摩擦力顯著增加，晟后，活塞可能被卡住，密封件被從密封安裝槽里擠出，或是密封圈滑動(dòng)側(cè)的唇部夾人活塞與氣缸壁之間的游隙中，造成破損、永久變形。因此把這種壓力稱之為背壓。如圖X所示。

    (2)流體動(dòng)壓中拖拽壓力。

特定類型的密封的性能由密封界面間隙的流阻支配，界面間隙按一般工程標(biāo)準(zhǔn)很小。例如，定制浮動(dòng)襯套密封形成約10μm的間隙；液壓橡膠密封和機(jī)械密封可能在小于1μm厚的自生液膜上滑動(dòng)。當(dāng)密封槽開在箱體上時(shí)，密封件和活塞桿之間存在著動(dòng)態(tài)間隙。此外，在密封件周圍還存在著可能引起流體動(dòng)壓作用的其他功能性間隙。流體通過間隙被運(yùn)動(dòng)的活塞桿拖曳到密封處，導(dǎo)致壓力升高遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過液壓系統(tǒng)的工作壓力，隨著活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，最終會(huì)導(dǎo)致密封件嚴(yán)重?cái)D壓損壞。密封流體動(dòng)壓結(jié)構(gòu)示意圖如圖Y所示。

 

    (3)化學(xué)物質(zhì)的侵蝕。面對(duì)密封件性能要求的不斷提高，各種復(fù)合材料密封件可以滿足不同的要求。另一方面，密封件的物理性質(zhì)也經(jīng)常由于耐化學(xué)性和耐溫性的提高而劣化。

    (4)迪塞爾效應(yīng)。液壓系統(tǒng)在正常排氣后，仍有大量空氣溶解在油液中。在大氣壓下，液壓流體能夠溶解相同空氣體積的將近10%。只要空氣溶解，就不會(huì)出現(xiàn)問題，但是當(dāng)壓力降到空氣的溶解壓力以下時(shí)，液壓流體就會(huì)釋放出大量的微小氣泡，小氣泡立即聚合形成較大氣泡。如果系統(tǒng)的壓力在極短的時(shí)間間隔內(nèi)急劇升高，氣泡就被加熱到能使氣泡中的氣體混合物產(chǎn)生自燃的程度，同時(shí)伴有壓力沖擊和極高的局部溫度，這就是迪塞爾效應(yīng)。如果這種效應(yīng)發(fā)生在密封件或支承環(huán)附近，密封件和支承環(huán)將被燒焦。除了元件產(chǎn)生直接失效外，支承環(huán)或密封件燒焦產(chǎn)生的堅(jiān)硬碎顆粒也將引起系統(tǒng)故障。

    (5)表面粗糙度。活塞桿或缸筒的粗糙表面也會(huì)導(dǎo)致密封件的磨損。

    (6)液壓系統(tǒng)中的污染物。碎屑、塵土顆粒、鑄砂以及液壓系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生耐磨顆粒都可能導(dǎo)致密封件的嚴(yán)重?fù)p壞。

3．解決此類密封失效的措施

    (1)防止背壓措施。

    1)壓板外周突起能防止背壓。如圖Z所示，壓板的外周邊緣部朝密封件方向有數(shù)毫米的凸部，密封件受到背壓壓緊壓板時(shí)，由于壓板外周具有凸起部分，致使密封件傾斜，使密封件外周背部和缸體內(nèi)壁之間經(jīng)常保持一定間隙，這是防止背壓的方法，能避免相當(dāng)多油液集聚而引起的背壓，由于密封件壓板直徑比缸體直徑小數(shù)毫米，還能防止密封件從活塞的密封安裝槽中擠出。

2)非對(duì)稱型附溝槽Y型密封圈防止背壓。這是一種新型的密封圈，密封的方式與前者不同，前者是借助于壓板來起到防止背壓的作用，這種非對(duì)稱型附溝槽U型密封圈以其自身的特點(diǎn)防止背壓。該密封圈機(jī)構(gòu)特點(diǎn)如圖A所示。

 

    其性能特點(diǎn)：①該密封圈正是為了防止背壓，而加工了“溝槽”，特別適用于活塞，當(dāng)活塞密封圈在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的情況下，集聚在兩密封圈之間的油液就會(huì)通過溝槽流出。②選用這種非對(duì)稱型，不僅能夠提高密封性能，而且還能夠降低工作壓力及改良滯塞性能。③不易發(fā)生因溫度而導(dǎo)致密封圈尺寸變化等問題。④由于非滑動(dòng)側(cè)的密封圈高度比滑動(dòng)側(cè)高，所以固定性較好。

    (2)防止拖曳壓力措施。拖曳壓力僅在被拖向密封的流體只能通過同一窄小間隙返回時(shí)發(fā)生。由于密封件與活塞桿之間的密封，大部分間隙中的流體不可能透過密封件隨活塞桿流回。因此，避免這種升壓的方法是給流體提供一低流阻返回的途徑。在實(shí)際應(yīng)用中，采用如下方法，在活塞桿和支撐環(huán)上分別切進(jìn)螺旋槽和凹槽，且使螺旋槽的橫截面積至少為活塞桿和支撐套之間間隙的3倍。當(dāng)間隙流體的壓力達(dá)到一定程度時(shí)，間隙流體能通過螺旋槽流回。其結(jié)構(gòu)原理如圖B所示。

    (3)防止化學(xué)物質(zhì)的侵蝕措施。一般情況下，將密封件裝配進(jìn)其腔體時(shí)，摩擦可能引起裝配困難，所以常將潤(rùn)滑劑用于密封和配合的表面。但是，必須記住密封件不相容的可能性。例如，對(duì)于天然橡膠，丁基橡膠或乙烯丙烯，不要使用礦物油或礦物脂；對(duì)于聚硅酮膠橡膠，不要使用聚硅酮油或脂。

    此外，有些高氟化密封件，如氟彈性體(FPM)在寬的溫度范圍上耐很強(qiáng)的侵蝕性化學(xué)品，但可能被明顯無害的極性流體如熱水、甲醇、稀酸或稀堿退化。另一方面，乙烯丙烯共聚體(WPDM)對(duì)付這些介質(zhì)卻很好，而對(duì)礦物油卻不行。顯然在選擇復(fù)合材料密封件時(shí)，很有必要向密封件制造商詳細(xì)咨詢。

    (4)防止迪塞爾效應(yīng)措施。為了避免這種效應(yīng)的發(fā)生，有必要抑制脫氣現(xiàn)象，但這非常困難。通常情況下，以減少失效為目的，用耐高溫性能的密封件可以緩解迪塞爾效應(yīng)的問題，如PTFE同軸密封件。但在應(yīng)用中，輔助彈性密封的耐熱性也必須加以考慮。

    (5)防止表面粗糙度措施。它必須足夠光滑，才不會(huì)磨損封唇。另一方面，經(jīng)驗(yàn)表明表面不必太光滑，否則密封不能磨合。所以活塞桿或缸筒的粗糙度最佳值通常在0.2～0.6mm之間。

    (6)防止液壓系統(tǒng)中的污染物措施。需要在裝配或維修時(shí)對(duì)所有部件仔細(xì)清洗并對(duì)液壓流體連續(xù)過濾。密封失效的故障原因有多種多樣，但是這種故障的發(fā)生，與壓力、溫度、介質(zhì)、材料及速度等眾多因素有著復(fù)雜的關(guān)系，是無法完全避免的。活塞桿密封件失效只是其中的一種。選擇適合的密封件、改善液壓缸的工作環(huán)境以及完善的設(shè)計(jì)、加工都能很好地解決密封失效的問題，從而改善鉆機(jī)性能。