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        芻議煤礦用液壓油缸的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

        2013-08-27 08:22:04郭葆菁
        機(jī)電信息 2013年9期
        關(guān)鍵詞:摩擦阻力密封性密封件

        郭葆菁

        (山西省同煤集團(tuán)公司煤峪口礦機(jī)電科,山西 大同037041)

        0 引言

        液壓油缸在煤礦中使用比較廣泛,并已漸漸成為煤礦業(yè)的基礎(chǔ)性設(shè)備。但是由于液壓油缸系統(tǒng)本身的元件以及油液都是在密封的殼體以及管道中,所以不能直接從外部進(jìn)行觀察和排除故障,故一旦發(fā)生故障就很不容易進(jìn)行檢查并作出判斷,這在一定程度上給煤礦的安全生產(chǎn)帶來了困難。另外,從煤礦用液壓油缸對(duì)密封性的要求來看,在液壓油缸的設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些問題,例如沒有根據(jù)煤礦的實(shí)際情況編制相應(yīng)的液壓油缸負(fù)載圖,沒有根據(jù)煤礦工作壓力進(jìn)行設(shè)計(jì)等。特別是對(duì)于液壓油缸的密實(shí)性,沒有嚴(yán)格根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì),進(jìn)而導(dǎo)致液壓油缸在工作時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)密實(shí)性不良的問題,這對(duì)煤礦的安全作業(yè)十分不利。

        1 液壓油缸設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題和需注意事項(xiàng)

        根據(jù)調(diào)查,在煤礦中使用的液壓油缸有很大一部分都會(huì)出現(xiàn)密實(shí)性不良的問題,這可能是由于液壓油缸密封選型不當(dāng)造成的。因此,必須盡可能保證油缸的圖紙是按照合理的工程狀況設(shè)計(jì)的,然后在設(shè)計(jì)中嚴(yán)格遵守液壓油缸密封性設(shè)計(jì)的原則,嚴(yán)格按照具體的步驟進(jìn)行密封性設(shè)計(jì)。如果液壓油缸的端蓋處密封圈壓得太緊或太松,應(yīng)及時(shí)調(diào)整密封圈使之有適當(dāng)?shù)乃删o度,從而保證活塞桿能用手來回平穩(wěn)地拉動(dòng)而無泄漏。

        在煤礦用液壓油缸的設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)遇到缸內(nèi)有空氣侵入的問題,而對(duì)此一些設(shè)計(jì)人員并沒有放在心上,這就會(huì)使設(shè)計(jì)出來的液壓油缸出現(xiàn)問題。因此,如果有空氣侵入油缸內(nèi),在設(shè)計(jì)中就必須增設(shè)排氣裝置或使液壓缸以最大行程快速運(yùn)動(dòng),從而強(qiáng)行排出空氣。

        必須認(rèn)真考慮液壓油缸行程終點(diǎn)處的制動(dòng)問題和油缸本身的排氣問題。液壓油缸內(nèi)如果沒有相應(yīng)的緩沖裝置以及排氣裝置,那么在設(shè)計(jì)時(shí)就要采取相應(yīng)措施來彌補(bǔ)這些不足,但并不是全部的液壓油缸都需要按照這樣的方法進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì),而應(yīng)根據(jù)具體情況而定。

        在液壓油缸的設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡最大可能保證設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單、緊湊,并且每個(gè)零件都具有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐久性,應(yīng)盡量保證油缸的活塞桿在受拉時(shí)能承受最大負(fù)載或在受壓狀態(tài)下具有較好的縱向穩(wěn)定性。必須盡量避免液壓油缸的側(cè)面受到載荷,以消除活塞、活塞桿以及油缸導(dǎo)軌之間的偏斜,從而盡可能使加工裝配和維修變得方便。

        在設(shè)計(jì)液壓油缸時(shí),定位件須配置在活塞桿端,只能在一端定位,這在一定程度上有助于延長液壓油缸的工作壽命。同時(shí),必須保證液壓油缸輸入力和活塞有用面積及其單方的壓差成正比。液壓油缸由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置等構(gòu)成,對(duì)于密封裝置的設(shè)計(jì),必須要保證密封表面的粗糙度適當(dāng),且需合理設(shè)計(jì)與加工密封溝槽,并選擇質(zhì)量優(yōu)良的密封圈正確裝配,在此基礎(chǔ)之上,還要盡可能減少?zèng)_擊與振動(dòng)。

        2 煤礦用液壓油缸對(duì)密封性的要求

        煤礦對(duì)液壓油缸等設(shè)備的安全運(yùn)行要求很高,因?yàn)樵O(shè)備如果不能安全運(yùn)行就會(huì)在很大程度上帶來安全隱患,甚至?xí)?dǎo)致十分嚴(yán)重的后果。因此,對(duì)作為煤礦基礎(chǔ)性設(shè)備的液壓油缸的設(shè)計(jì)也就有了更高的要求,特別是對(duì)于液壓油缸的密實(shí)性,要求則更為嚴(yán)格。在設(shè)計(jì)中,必須保證液壓油缸在100℃、28 MPa的工作環(huán)境下具有良好的密實(shí)性,并且還要保證液壓油缸的密實(shí)性不會(huì)隨著溫度與壓力的增加而降低。同時(shí),在設(shè)計(jì)中還要盡可能保證液壓油缸所使用的密封材料有較強(qiáng)的耐腐蝕性與耐磨性。最后,在設(shè)計(jì)中必須保證液壓油缸的密封裝置與運(yùn)動(dòng)構(gòu)件之間的摩擦盡可能小,這就要求最大程度地保證穩(wěn)定且較小的摩擦系數(shù)。

        3 影響密封件使用性能及壽命的因素

        在進(jìn)行液壓油缸密實(shí)性設(shè)計(jì)之前,必須充分了解影響密封件使用性能及壽命的因素。一般情況下,這些因素包括:(1)液壓油缸表面粗糙度?;钊突钊麠U表面粗糙度一般為0.8;密封安裝槽的粗糙度側(cè)面為1.6,底面為0.3。(2)壓力。液壓缸油壓使密封件變形,從而達(dá)到密封效果,但這也增加了滑動(dòng)面的磨損,引起發(fā)熱,促使系統(tǒng)溫升,并進(jìn)一步增大了滑動(dòng)阻力,所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中必須根據(jù)不同的工作壓力環(huán)境設(shè)計(jì)合適的液壓油缸。(3)溫度。因?yàn)橛鸵旱臏囟葧?huì)在很大程度上影響油液的黏度與密封性能,因此一般情況下煤礦用液壓油缸的工作溫度應(yīng)穩(wěn)定在50~85℃。(4)摩擦阻力。密封件與運(yùn)動(dòng)件的摩擦阻力是變化的,一般情況下啟動(dòng)時(shí)摩擦阻力最大;當(dāng)達(dá)到適當(dāng)速度時(shí),摩擦副間形成了連續(xù)油膜,摩擦阻力下降;摩擦副運(yùn)動(dòng)速度過高時(shí),油膜變厚,摩擦阻力反增大。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,只有充分了解這些因素,才能利用一些資源來提高液壓油缸的密封性。

        4 煤礦用液壓油缸不同部位密實(shí)性設(shè)計(jì)

        4.1 油缸活塞桿的密封設(shè)計(jì)

        液壓油缸的活塞桿集密封與摩擦特性于一身,比較理想的活塞桿密封并不存在,因此在液壓油缸活塞桿密封設(shè)計(jì)時(shí)選用比較合適的密封材料,采用多元件組合的密封系統(tǒng)能很好地解決密封問題。為了長時(shí)間地達(dá)到良好的密封效果,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用耐磨和抗變形的密封材料,它們即使在較高的壓力和溫度下也不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量問題。目前,人們大多使用聚氨酯材料和充填型PTFE材料,聚氨酯非常耐磨和耐變形,而PTFE在高溫條件下的化學(xué)耐受力很強(qiáng),所以也可優(yōu)先選用。為了保證活塞桿的密實(shí)性,在設(shè)計(jì)時(shí)要注意活塞桿與活塞的同軸度以及密封溝槽的加工尺寸。其次,在安裝時(shí)要避免液壓油缸軸心線與負(fù)載運(yùn)動(dòng)方向的偏離,必要時(shí)使用聯(lián)軸器、關(guān)節(jié)軸承或桿端浮動(dòng)法蘭可起到一定的補(bǔ)償作用。此外,活塞桿在導(dǎo)向套中運(yùn)動(dòng)需要一定量的油膜來起到潤滑作用,這就會(huì)造成油液積成滴進(jìn)而形成外漏,因此防塵圈內(nèi)唇邊要有防刮油作用,從而把油膜阻擋在防塵圈和主密封間,使油膜既能潤滑又不發(fā)生外泄??偠灾谠O(shè)計(jì)中采用多元件組合的密封系統(tǒng),可以達(dá)到液壓活塞桿所需的密封條件,但使用多元件密封系統(tǒng)的難點(diǎn)是要把各個(gè)密封元件相互調(diào)整好,因此在設(shè)計(jì)中必須要組合好各個(gè)密封元件,保證油缸活塞桿的密實(shí)性。

        4.2 油缸活塞的密封設(shè)計(jì)

        活塞和活塞密封件是液壓油缸的重要組成部分,液壓油缸活塞密封件可以有效防止液體從缸頭流出,因此加強(qiáng)煤礦用液壓油缸活塞密封設(shè)計(jì)就顯得非常重要。一般情況下,活塞的密封構(gòu)成主要包括耐磨環(huán)和組合密封環(huán)2個(gè)部分,其中耐磨環(huán)能抑制機(jī)械振動(dòng),有極好的承壓能力和耐磨性,因此在設(shè)計(jì)中必須精確計(jì)算耐磨環(huán)的寬度。計(jì)算公式如下:

        式中,F(xiàn)為液壓油缸活塞的最大徑向負(fù)載(N);β為安全系數(shù);D為活塞或活塞桿直徑(mm);Pr為最大允許徑向載荷(MPa)。

        只有精確地計(jì)算出耐磨環(huán)的寬度,才能進(jìn)一步保證活塞的密實(shí)性。在對(duì)液壓油缸的組合密封環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),要根據(jù)液壓油缸密封性的要求,選擇經(jīng)濟(jì)型的密封環(huán),因此可選擇由特康密封圈和O型圈組合的密封環(huán),這種組合的摩擦阻力非常低,在實(shí)際工作中不存在爬行或黏滯現(xiàn)象,并且根據(jù)相關(guān)試驗(yàn),它能在壓力為80 MPa的環(huán)境下保持良好的密封性能。最后,在設(shè)計(jì)中要注意活塞與液壓油缸缸筒之間的間隙,它在很大程度上決定了活塞的密封性能。因此,要根據(jù)液壓油缸缸筒厚度、系統(tǒng)壓力與周圍環(huán)境來設(shè)計(jì)活塞與液壓油缸缸筒之間的間隙,進(jìn)而保證活塞的密封性能。

        4.3 油缸靜密封設(shè)計(jì)

        靜密封在液壓油缸中所起的作用很大,它是防止液壓油缸內(nèi)油液外泄的又一道防線,因此必須加強(qiáng)對(duì)靜密封的設(shè)計(jì)。一般情況下采用O形圈密封,材料選用丁腈橡膠,同時(shí)必須為O形圈加上擋圈,這樣就可以有效防止O形圈被擠到配合間隙中而損壞。

        5 結(jié)語

        煤礦用液壓油缸有效的密實(shí)性不僅可保證煤礦作業(yè)的正常進(jìn)行,還能在很大程度上避免很多安全隱患。因此,在液壓油缸設(shè)計(jì)階段就需要充分考慮各種因素,對(duì)液壓油缸不同的部位采取不同的密封方式進(jìn)行設(shè)計(jì),從而最大程度地保證液壓油缸的密實(shí)性。

        [1]楊凌峰,李丹.液壓油缸活塞的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].礦業(yè)快報(bào),2009(18)

        [2]劉賢波,宋峰.液壓油缸結(jié)構(gòu)的改進(jìn)[J].煤礦機(jī)械,2010,29(11)

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