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        熱模鍛壓力機(jī)Y型密封圈的失效分析與改進(jìn)方案

        2018-04-02 07:17:38胡延?xùn)|
        裝備制造技術(shù) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:模鍛缸體壓力機(jī)

        胡延?xùn)|

        (陜西法士特集團(tuán)有限責(zé)任公司,陜西 寶雞722409)

        熱模鍛壓力機(jī)在汽車、內(nèi)燃機(jī)、航空、五金工具等制造業(yè)中,用于批量加工黑色或有色金屬的模鍛和精整鍛件,它成型鍛件精度高,材料利用率高,生產(chǎn)率高,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,是現(xiàn)代鍛造生產(chǎn)不可缺少的高精鍛壓設(shè)備。

        熱模鍛壓力機(jī)一般用一級(jí)傳送帶和一級(jí)齒輪這兩級(jí)傳動(dòng)方式,其主要組成部分有:電機(jī)、飛輪、傳動(dòng)軸、離合器、制動(dòng)器、曲軸、平衡缸和滑塊連桿機(jī)構(gòu)等。電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳送帶將運(yùn)動(dòng)傳送到飛輪上,飛輪帶動(dòng)傳動(dòng)軸和一級(jí)齒輪驅(qū)動(dòng)離合器,離合器一般安裝在曲軸的右側(cè),當(dāng)離合器結(jié)合時(shí),曲軸會(huì)隨著離合器同步旋轉(zhuǎn),連桿通過(guò)曲軸使滑塊沿導(dǎo)軌做上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。制動(dòng)器安裝在曲軸的左側(cè),使得滑塊能夠停在設(shè)定的位置上。平衡缸用于平衡滑塊、連桿等運(yùn)動(dòng)件的重量。離合器、制動(dòng)器及平衡缸的可靠性直接影響整個(gè)鍛壓線的安全性和穩(wěn)定性。由于該三個(gè)部件內(nèi)部活塞體積比較大,用于起主要密封作用的大型Y型密封圈一般為非標(biāo)件,對(duì)于使用年代久遠(yuǎn)的設(shè)備,大型Y型密封圈出現(xiàn)失效的幾率性大大增加。通過(guò)對(duì)Y型密封圈的密封原理介紹,分析了熱模鍛壓力機(jī)(離合器、制動(dòng)器和平衡缸)三大部件中Y型密封圈的常見失效形式和失效原因,并對(duì)部分失效形式提出了相應(yīng)的改進(jìn)方案,以便對(duì)于日常維修人員對(duì)癥下藥,少走彎路。

        1 Y型密封圈的密封原理

        Y型密封圈是一種典型的唇形密封圈,如圖1所示,適用于工作壓力不大于40 MPa,工作溫度為-30~+80℃的情況下。在工作時(shí)依靠其張開的唇邊緊貼于密封副耦合面,并呈線狀接觸,介質(zhì)無(wú)壓力時(shí),靠唇邊的變形產(chǎn)生很小的接觸壓力[1]。在介質(zhì)壓力作用下產(chǎn)生“峰值”接觸應(yīng)力,壓力越高應(yīng)力越大。當(dāng)耦合件以工件速度相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),在密封唇與滑移耦合面之間形成一層密封膜,從而產(chǎn)生密封作用。密封唇邊磨損后,由于介質(zhì)壓力的作用而具有一定的自動(dòng)補(bǔ)償能力。

        圖1 Y型密封圈結(jié)構(gòu)圖

        由于丁腈橡膠(NBR)具有極佳的耐石油與燃油性能,同時(shí)其機(jī)械性能、加工性能良好和成本低等因素,在熱模鍛壓力機(jī)的大型Y型密封圈中得到了大量使用。丁腈橡膠耐熱性相對(duì)居中,一般使用溫度范圍為-40℃~120℃,長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)100℃,120℃可以用40天,邵氏A硬度范圍40°~90°.

        2 常見的失效形式與分析

        在日常維修中,大型Y型密封圈失效的主要原因有:密封圈變硬或變色、相對(duì)運(yùn)動(dòng)的密封唇過(guò)渡磨損、間隙擠出、密封圈從截面的中心裂開、密封圈根部邊緣被擠出等。

        2.1 Y型密封圈變硬或變色

        2.1.1溫度對(duì)Y型密封圈的影響。

        高溫會(huì)加速橡膠的老化,特別是在平衡缸的密封中該現(xiàn)象特別明顯,主要是平衡缸內(nèi)的氣體在被頻繁壓縮和釋放后會(huì)產(chǎn)生大量的熱,而缸體的外表面不足以將多余的熱量帶走,從而使得工作溫度升高,導(dǎo)致密封介質(zhì)老化。工作溫度越高,Y型密封圈的壓縮永久變形就越大。

        2.1.2摩擦力的影響。

        Y型密封圈在缸體內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí),摩擦力隨工作壓力的增大而增大。摩擦力的增大,使得Y型密封圈與缸體之間產(chǎn)生大量摩擦熱,大量的摩擦熱,加速了橡膠的老化,發(fā)生永久變形,導(dǎo)致Y型密封圈失去密封效果。

        2.2 相對(duì)運(yùn)動(dòng)的密封唇過(guò)渡磨損

        相對(duì)運(yùn)動(dòng)的密封唇過(guò)渡磨損如圖2所示,主要原因有以下兩個(gè)方面。

        圖2 相對(duì)運(yùn)動(dòng)的密封唇過(guò)渡磨損

        2.2.1運(yùn)動(dòng)表面粗糙度過(guò)大

        該現(xiàn)象主要發(fā)生在熱模鍛壓力機(jī)的離合器、制動(dòng)器活塞中,由于離合器、制動(dòng)器體積比較大,重量導(dǎo)致了缸體和活塞之間發(fā)生了摩擦,摩擦使得缸體表面粗糙度變大。

        2.2.2工作介質(zhì)中有雜質(zhì)。

        在設(shè)備維修時(shí)由于清理得不徹底,外界的固體顆粒在安裝過(guò)程中帶入了活塞腔或壓縮空氣管道,帶壓力的工作介質(zhì)將固體顆粒物帶到了密封唇與缸體的耦合面。

        2.3 Y型密封圈被間隙擠出

        表現(xiàn)形式如圖3所示。主要是由于密封唇口有缺口和活塞和缸體之間的間隙變大造成的。

        圖3 密封圈被間隙擠出

        2.3.1密封唇口有一小缺口。

        在Y型密封圈實(shí)際安裝過(guò)程中,由于體積的龐大和存在一定的過(guò)盈量,往往需要幾個(gè)人配合才能進(jìn)行安裝。為了使得活塞能都順利進(jìn)入缸體內(nèi),根據(jù)周長(zhǎng)的大小需要先進(jìn)行2個(gè)或者多個(gè)點(diǎn)的定位而不至于Y型密封圈安裝到最后出現(xiàn)周長(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象。在安裝時(shí)由于缸體磨損后尖銳的棱邊或者安裝的工具在擠壓Y型密封圈進(jìn)入缸體過(guò)程中發(fā)生了切邊,造成唇邊有小缺口。

        2.3.2活塞和缸體之間的間隙變大。

        在實(shí)際使用過(guò)程中,熱模鍛壓力機(jī)的使用年代一般比較久遠(yuǎn),工作環(huán)境也比較惡劣甚至對(duì)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)也不是很到位?;钊透左w之間的摩擦由于潤(rùn)滑不到位或使用時(shí)間比較長(zhǎng),兩者之間的間隙會(huì)慢慢變大。這樣,Y型密封圈的一部分容易被擠入間隙,引起密封件局部應(yīng)力集中,受工作介質(zhì)壓力的作用,以致在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將其切掉,失去密封能力。

        2.4 密封圈從截面的中心裂開

        如圖4所示,密封圈從截面的中心裂開。這是因?yàn)榇叫蚊芊馊︻i部軸向尺寸太小。這主要與Y型密封圈的開始設(shè)計(jì)有關(guān)系,或者是在后期使用過(guò)程中人為增大了介質(zhì)壓力,導(dǎo)致Y型密封圈的實(shí)際頸部軸向尺寸不能滿足使用要求。

        圖4 密封圈從截面的中心裂開

        2.5 密封圈根部邊緣被擠出

        如圖5所示,存在整個(gè)圓周上的根部和半個(gè)圓周上的根部被擠出兩種情況。

        圖5 密封圈根部邊緣被擠出

        2.5.1整個(gè)圓周上的根部被擠出

        這種現(xiàn)象主要出現(xiàn)在離合器的活塞中。在實(shí)際工作中,離合器屬于旋轉(zhuǎn)零件,隨著使用壽命的增加,缸體會(huì)被均勻磨損,從而導(dǎo)致活塞和缸體的間隙變大。

        2.5.2半個(gè)圓周上的根部被擠出

        在熱模鍛壓力機(jī)中,制動(dòng)器活塞不隨著曲軸工作而旋轉(zhuǎn),只做軸向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。活塞在重力作用下,會(huì)不斷磨損活塞內(nèi)圈的上端和外圈的下端,導(dǎo)致活塞或缸體出現(xiàn)橢圓現(xiàn)象,活塞內(nèi)圈的下端和外圈的上端間隙變大,出現(xiàn)Y型密封圈失效現(xiàn)象。

        3 改進(jìn)方案與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

        3.1 溫度的影響的措施

        對(duì)于平衡缸由于介質(zhì)的溫度高導(dǎo)致了Y型密封圈的壽命縮短,筆者曾經(jīng)試做過(guò)用硅膠來(lái)代替丁晴橡膠,但效果不明顯,在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)密封圈從截面的中心裂開的現(xiàn)象,后來(lái)通過(guò)調(diào)整平衡缸安全閥的最大壓力實(shí)現(xiàn)了改善。即當(dāng)平衡缸活塞行程達(dá)到最大位移量時(shí)將一部分壓縮空氣排出,使得部分熱量被帶走,老化現(xiàn)象得到了明顯改善。

        3.2 粗糙度和棱角的影響

        在每次維修時(shí)對(duì)于粗糙度過(guò)大的表面可用手工修磨的方式進(jìn)行維修,盡可能的降低表面粗糙度,減小密封副耦合面的摩擦力,從而減少密封唇的磨損。

        所有與Y型密封圈接觸的表面不得有銳邊,全部進(jìn)行倒鈍,防止在安裝過(guò)程中損傷密封圈,進(jìn)而加速密封失效的可能。

        3.3 密封圈尺寸的設(shè)計(jì)改進(jìn)

        我車間現(xiàn)有FPA-3000T熱模鍛壓力機(jī)在日常使用過(guò)程中離合器多次出現(xiàn)密封圈從截面的中心裂開的現(xiàn)象,初步判斷為Y型密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理所致,離合器使用工況和參數(shù)如表1所示。隨后根據(jù)現(xiàn)有密封槽的尺寸和使用工況,對(duì)其Y型密封圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。

        表1 離合器使用工況和參數(shù)

        產(chǎn)品設(shè)計(jì)斷面形狀

        1)密封圈的高度根據(jù)活塞尺寸取h=20±0.2 mm[2];由于存在工作壓力,即使密封圈高度比溝槽寬度小1 mm左右,加之行程小、往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度也不高,是不會(huì)出現(xiàn)密封圈在溝槽內(nèi)竄動(dòng)的現(xiàn)象。

        2)密封圈根部高度原有尺寸為9.5 mm,因多次出現(xiàn)過(guò)根部截面的中心裂開的現(xiàn)象,參考HG4-335-66,根部高度選取12.1 mm.

        3)頂角B原有角度為30°,考慮缸體和活塞之間的磨損,密封圈的擠出間隙變大,根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]中的設(shè)計(jì)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn),加大頂角B=60°.

        4)其余尺寸按照原有Y型密封圈進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        經(jīng)過(guò)以上改進(jìn),圖6所示密封圈材質(zhì)選用丁腈橡膠,硬度為60°.按照車間現(xiàn)有生產(chǎn)狀況,每天兩班,每班工作8 h投入生產(chǎn),離合器按照表一使用工況和參數(shù)運(yùn)行一年,未出現(xiàn)過(guò)漏氣或者Y型密封圈損壞現(xiàn)象。

        圖6 產(chǎn)品設(shè)計(jì)斷面形狀

        4 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)熱模鍛壓力機(jī)Y型密封圈的失效形式分析和方案的改進(jìn),降低了熱模鍛壓力機(jī)離合器、制動(dòng)器和平衡缸Y型密封圈的維修成本和維修頻率,也給相關(guān)人員提供一定的判斷思路和維修經(jīng)驗(yàn)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]曹艷科,王浩先,王 旭,等.大型國(guó)產(chǎn)氣動(dòng)Y型密封圈在機(jī)械壓力機(jī)上的應(yīng)用[J].潤(rùn)滑與密封,2016,41(5):139-145.

        [2]劉 明,陸 軍,段 棟.Y型密封圈密封原理探討與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].特種橡膠制品,2012,33(3):57-59.

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