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壓作用。此時(shí)，由于彈性流體動力潤滑的存在，密封件或多或少會帶一些油膜出去，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。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態(tài)間隙。此外，在密封件周圍還存在著可能引起流體動壓作用的其他功能性間隙。流體通過間隙被運(yùn)動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)動的進(jìn)行，最終會導(dǎo)致密封件嚴(yán)重?cái)D壓損壞。密封流體動壓結(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)動的情況下，集聚在兩密封圈之間的油液就會通過溝槽流出。②選用這種非對稱型，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由于非滑動側(cè)的密封圈高度比滑動側(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)對付這些介質(zhì)卻很好，而對礦物油卻不行。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)對所有部件仔細(xì)清洗并對液壓流體連續(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。