潘 越 叢 帥

（1：河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 河北邯鄲 056000；2：上海美西為機(jī)電設(shè)備有限公司 上海 200000）

1 前言

振動(dòng)缸在連鑄中起著舉足輕重的作用，如圖1所示，其作用是防止鑄坯與結(jié)晶器內(nèi)壁粘結(jié)導(dǎo)致鑄坯過(guò)程發(fā)生拉裂或漏鋼，并且通過(guò)振動(dòng)缸周期性地振動(dòng)來(lái)改變鋼液面與結(jié)晶器壁的相對(duì)位置，來(lái)提高拉坯的流暢程度，改善鑄坯的表面質(zhì)量和鋼坯表面的潤(rùn)滑狀況［2］。在全球范圍，德國(guó)漢臣（Haenchen）公司的振動(dòng)缸使用壽命最長(zhǎng)，其擁有間隙密封發(fā)明專(zhuān)利。國(guó)內(nèi)有不少工廠生產(chǎn)間隙密封振動(dòng)缸，但是效果都不是很理想，與進(jìn)口振動(dòng)缸的使用壽命還有很大差距。總結(jié)多年維修漢臣（Haenchen）公司液壓缸的經(jīng)驗(yàn)，采用間隙密封技術(shù)，并對(duì)關(guān)鍵元件進(jìn)行熱處理，以達(dá)到增加使用壽命的目的。

2 結(jié)晶器振動(dòng)液壓缸的主要失效形式

作者對(duì)長(zhǎng)期維修記錄計(jì)算和分析，得出國(guó)產(chǎn)振動(dòng)缸平均使用壽命為7～8個(gè)月，而進(jìn)口振動(dòng)缸的平均使用壽命則為兩年以上，總結(jié)了液壓缸以下四種主要失效形式。

2.1 缸體內(nèi)壁失效

缸體內(nèi)壁失效一般分為缸體內(nèi)壁拉傷、點(diǎn)蝕和生銹。造成失效的原因有：①活塞桿受到側(cè)向力過(guò)大造成缸體內(nèi)壁拉傷；②液壓油過(guò)濾不充分使鐵屑等雜志進(jìn)入液壓缸而造成缸體內(nèi)壁磨損；③缸體形位公差過(guò)大造成缸體內(nèi)壁局部拉傷；④密封不嚴(yán)使空氣進(jìn)入油液中造成缸體內(nèi)壁生銹；⑤密封件磨損導(dǎo)致活塞桿與缸體內(nèi)壁接觸而劃傷缸體內(nèi)壁；⑥裝配前清理工作不充分，殘存在缸體內(nèi)的鐵屑等雜質(zhì)造成缸體內(nèi)壁磨損等［3］。

圖1 振動(dòng)缸簡(jiǎn)圖

2.2 活塞桿失效

活塞桿是振動(dòng)缸最容易失效的部件，其失效原因有：①活塞桿硬度不夠很容易被磨損；②密封件過(guò)硬造成的磨損；③溫度過(guò)高造成活塞桿表面組織軟化帶來(lái)的磨損；④裝配前清理工作不充分，殘存在缸體內(nèi)的鐵屑等雜質(zhì)造成活塞桿磨損等。

2.3 密封件失效

2.4 防塵圈失效

特別是在冶金行業(yè)這種惡劣環(huán)境下工作的液壓缸，防塵圈的作用不容忽視。其失效的原因有：①活塞桿粗糙度過(guò)高而造成的磨損；②活塞桿形位公差問(wèn)題造成的防塵圈變形；③高溫條件下防塵圈的失效等。

3 結(jié)晶器振動(dòng)液壓缸優(yōu)化

間隙密封具有摩擦系數(shù)小、泄露少、非接觸式壓力外放、制作精度高、滑動(dòng)配合間隙小、無(wú)磨損、工作時(shí)無(wú)需漏油補(bǔ)償泵等特點(diǎn)。

3.1 間隙密封工作原理

以活塞桿與伺服環(huán)處間隙密封為例，由于配合公差不可避免，導(dǎo)致有極微小的間隙存在。當(dāng)高壓油液流過(guò)間隙時(shí)，可以形成一層油膜，起到潤(rùn)滑和支持的作用。又因?yàn)榛钊麠U的幾何形狀和同軸度存在誤差，使工作的壓力油在密封間隙中的不對(duì)稱(chēng)分布而形成液壓卡緊力，它增大了活塞桿和伺服環(huán)的摩擦力，因此有必要在伺服環(huán)內(nèi)壁開(kāi)幾條平衡槽，平衡槽深0.6mm，槽寬1.5mm［4］。油液流經(jīng)平衡槽時(shí)，會(huì)在槽中形成漩渦，使油液由層流狀態(tài)轉(zhuǎn)為紊流混合狀態(tài)并形成阻力屏障，從而對(duì)油液進(jìn)行節(jié)流，并使其產(chǎn)生盡可能大的壓力損失，這樣在高頻運(yùn)動(dòng)時(shí)，振動(dòng)缸內(nèi)泄漏量就明顯減少［4］。同時(shí)，開(kāi)平衡槽后，使得徑向油壓力趨于平衡，導(dǎo)致活塞桿能夠自動(dòng)對(duì)中，可以減小摩擦力；因?yàn)橥沫h(huán)縫的泄漏要遠(yuǎn)比偏心環(huán)縫小，所以活塞桿的對(duì)中減少了油液的泄漏量，提高了密封性能；并且油液儲(chǔ)存在平衡槽內(nèi)，使活塞桿能自動(dòng)潤(rùn)滑。根據(jù)漢臣（Haenchen）公司的資料，測(cè)得支撐環(huán)靠近活塞端的壓力為21MPa，靠近卸油口端的壓力只有5.2MPa，不僅降低對(duì)密封件的要求，而且由于存在一定壓力，泄漏油液會(huì)自動(dòng)排出泄油口，而不需要將泄漏油抽回油箱，使振動(dòng)缸的日常維護(hù)更方便。

3.2 間隙密封相關(guān)計(jì)算

以活塞桿與伺服環(huán)處間隙密封為例，間隙密封的性能是由間隙大小、間隙長(zhǎng)度、活塞兩端壓力差、活塞桿直徑以及材料加工精度決定的。

間隙大小、間隙長(zhǎng)度、伺服環(huán)兩端壓力差的計(jì)算公式如下：

間隙大?。?/p>

間隙長(zhǎng)度：

伺服環(huán)兩端壓力差：

小麥紅蜘蛛屬于瞞類(lèi)，是小麥種植過(guò)程中的高發(fā)蟲(chóng)害。紅蜘蛛吸食小麥汁液后造成小麥苗上出現(xiàn)斑點(diǎn)，雖然通常不會(huì)造成小麥壞死，但是群體密度增大后可造成葉子變成紅褐色、不能抽穗以及植株枯死的情況，春季是此蟲(chóng)害的高峰期。

式中s為間隙寬度（mm）；

μ—油液動(dòng)力粘度（Pa·s）；

ΔQ—允許內(nèi)泄漏量（l／min）；

d—活塞桿直徑（mm）；

ν—液壓介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度（mm2／s），近似取δ＝

活塞桿直徑已知時(shí)，即可算出s、L、p。

3.3 關(guān)鍵元件的優(yōu)化

3.3.1 活塞與缸體和活塞桿和伺服環(huán)的加工及熱處理

活塞與缸體之間、活塞桿與伺服環(huán)之間均采用間隙密封，如圖2所示。活塞桿和缸體內(nèi)壁表面都鍍有特別厚的鍍鉻層并且經(jīng)過(guò)研磨，其表面粗糙度為Rz≤1μm，活塞外圓和伺服環(huán)內(nèi)表面熱噴涂鋁青銅，然后進(jìn)行研磨，研磨后配合公差均為H7／f7。鍍鉻層具有很高的硬度、耐磨性、耐熱性以及化學(xué)穩(wěn)定性，低摩擦系數(shù)和制作成本，鍍鉻層硬度大致為900～1000HV［5］；鋁青銅的強(qiáng)度比一般黃銅高，有很好的耐磨性和耐熱性，其硬度大致為150～200HV［6］。鍍鉻層和鋁青銅涂層的特性正好滿(mǎn)足振動(dòng)缸工況，并且鍍鉻層的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁青銅涂層，這樣即使發(fā)生碰撞，也不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，從而增加活塞、缸體、活塞桿和伺服環(huán)的使用壽命。

圖2 間隙密封示意圖

3.3.2 導(dǎo)向元件和密封件的選擇

間隙密封液壓缸在受到側(cè)向力時(shí)，很容易出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象。該液壓缸采用聚合物導(dǎo)向元件，其滑動(dòng)表面可以衰減振動(dòng)和避免銳邊的擠壓，所以該液壓缸可以在承受一定側(cè)向力的情況下而不拉缸。該液壓缸采用耐高溫的FKM材料制作的密封件，它可以在-15℃～200℃環(huán)境下正常使用，正好滿(mǎn)足振動(dòng)缸150℃～180℃的工作條件。

3.4 其他

除了對(duì)關(guān)鍵元件優(yōu)化外，一些細(xì)節(jié)問(wèn)題同樣值得注意。如采用優(yōu)良的校直設(shè)備，以提高活塞桿和缸筒的直線度；缸體內(nèi)孔加工時(shí)，先粗加工，然后放置一段時(shí)間自然去應(yīng)力，最后再進(jìn)行精加工；在電鍍過(guò)程中嚴(yán)格控制每一個(gè)環(huán)節(jié)；做好防銹措施；裝配過(guò)程中，嚴(yán)格按照裝配流程執(zhí)行等等。

4 結(jié)論

對(duì)長(zhǎng)期維修記錄分析，總結(jié)振動(dòng)缸的主要失效原因，根據(jù)失效原因?qū)﹃P(guān)鍵元件進(jìn)行優(yōu)化，從而使該間隙密封振動(dòng)缸具有使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格遠(yuǎn)低于進(jìn)口振動(dòng)缸、低摩擦、低泄漏、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，特別適合用于結(jié)晶器振動(dòng)。目前該液壓缸已在國(guó)內(nèi)多家鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)使用，平均使用壽命超過(guò)兩年，不僅給企業(yè)節(jié)省大量開(kāi)支，而且提高了鑄坯質(zhì)量。

［1］李健.微間隙密封設(shè)計(jì)及其在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，1998（6）.

［2］陳靜.提高連鑄機(jī)結(jié)晶器振動(dòng)伺服液壓缸可靠性途徑的初析［J］.液壓與氣動(dòng)，2013（4）.

［3］左林.連鑄機(jī)結(jié)晶器振動(dòng)液壓缸失效原因及處理對(duì)策［J］.液壓與氣動(dòng)，2013（1）.

［4］普學(xué)仁.提高鍍鉻層性能的方法［J］.重慶工業(yè)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào)，2003，Vol.18（1）.

［5］楊水生.液壓缸的間隙密封［J］.潤(rùn)滑與密封，19 98（5）.

［6］王娟.表面堆焊與熱噴涂［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.