張麗英，任曉霞，張子英，張盼盼，吳鳳彪

(山西能源學(xué)院 機(jī)電工程系,太原 030600)

液壓支架是煤礦井下綜采工作面的重要支護(hù)設(shè)備，其支護(hù)強(qiáng)度高、適應(yīng)性強(qiáng)、組合靈活、工作穩(wěn)定可靠，因此在我國(guó)各大煤礦應(yīng)用廣泛。作為井下液壓支護(hù)設(shè)備，其立柱和千斤頂?shù)拿芊庑詻Q定液壓支架的整體穩(wěn)定性和安全性，保證和提高缸體的密封性是液壓支架設(shè)計(jì)開發(fā)的核心。但是，一方面，綜采工作面環(huán)境工況惡劣，存在大量粉塵和液體腐蝕性介質(zhì)；另一方面，工作面頂板存在周期性來(lái)壓，缸體密封需頻繁承受高壓和沖擊作用。上述情況將造成缸體密封損壞，從而引起缸體內(nèi)乳化液的內(nèi)泄或外泄。當(dāng)缸體發(fā)生泄漏時(shí)，液壓支架對(duì)頂板的有效支撐力下降，甚至引發(fā)頂板安全事故，另外，外泄的乳化液對(duì)工作面環(huán)境造成污染，也對(duì)井下工作人員的健康造成危害[1-3]。因此，改善液壓支架的密封性，有效避免由漏液導(dǎo)致的生產(chǎn)事故，對(duì)于提高煤炭生產(chǎn)效率、加強(qiáng)安全生產(chǎn)具有重大意義。

1 蕾形密封圈結(jié)構(gòu)與密封機(jī)理

常見密封形式分為動(dòng)密封和靜密封，液壓支架立柱屬于往復(fù)式油缸，其活塞桿的密封屬于往復(fù)式動(dòng)密封。往復(fù)式動(dòng)密封的工作原理：當(dāng)活塞桿伸出時(shí)，密封接觸位置將大部分的流體介質(zhì)從活塞桿表面截流和刮除，但在活塞桿表面會(huì)存留厚度僅為微米級(jí)的液體薄膜，起到表面潤(rùn)滑和密封間隔的作用。但當(dāng)密封出現(xiàn)損傷或老化時(shí)，接觸位置的截流和刮除效果將變差，則活塞桿表面存留的液體介質(zhì)增多，形成立柱“掛液”(也稱“掛汗”)。

煤礦液壓支架的活塞桿動(dòng)密封主要采用蕾形密封圈，蕾形密封圈由常見的Y形唇形密封圈改進(jìn)而來(lái)，如圖1所示，主要由頂部的丁腈橡膠圈和底部的浸膠織物壓制而成，浸膠織物一般選用受壓變形小、耐磨性好、價(jià)格較低的聚氨酯。另外，為防止柔性密封被擠入安裝縫隙，從而切傷密封體，一般在密封圈尾部壓制或單獨(dú)安裝強(qiáng)度較高的聚甲醛材質(zhì)的擋圈。蕾形密封圈的密封機(jī)理如下：當(dāng)被密封流體介質(zhì)的壓力為零時(shí)，在密封的初始安裝壓縮量作用下，密封圈的密封唇就可與活塞桿緊密貼合，達(dá)到密封效果；當(dāng)流體介質(zhì)的壓力增大時(shí)，在壓力作用下丁腈橡膠發(fā)生彈性變形，并對(duì)密封唇形成壓力，將其推向活塞桿表面，增大了密封唇與活塞桿的接觸應(yīng)力，介質(zhì)壓力越大，接觸應(yīng)力越大，密封效果越好[4-5]。

2 密封泄漏量計(jì)算及影響規(guī)律

為提高蕾形密封圈的密封性，需對(duì)其壓力介質(zhì)的泄漏量及影響規(guī)律進(jìn)行研究。針對(duì)液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，其泄漏量包括一個(gè)伸縮周期內(nèi)的總量，具體如下。

2.1 活塞桿向外伸出工況

活塞桿向外伸出過程中，多數(shù)流體介質(zhì)被密封圈截流和刮除，外伸活塞桿表面僅有很薄的一層流體，該部分流體的量即是向外的泄漏量。

由文獻(xiàn)[1]可知，對(duì)于往復(fù)式動(dòng)密封，在密封界面上存在一維雷諾方程：

(1)

式中，u為活塞桿伸出速度；h(x)為沿x方向密封與活塞桿之間的薄膜高度；p(x)為沿x方向的接觸應(yīng)力分布；μ為液體粘度；

對(duì)式(1)進(jìn)行積分可得：

(2)

式中，C為常數(shù)。

圖2 密封與活塞桿之間的接觸應(yīng)力分布曲線

C=6uh*

(3)

將式(3)代入式(2)可得：

(4)

對(duì)式(4)求導(dǎo)可得：

(5)

(6)

(7)

將式(7)代入式(4)可得：

(8)

由式(8)可知，A點(diǎn)的薄膜厚度是接觸壓力最大點(diǎn)膜厚的1.5倍。分析可知，活塞桿表面的液體運(yùn)動(dòng)速度與活塞桿同為u，而接觸壓力最大位置對(duì)應(yīng)的與密封接觸位置的液體運(yùn)動(dòng)速度為零，且中間按線性變化；另外，離開密封位置后，在活塞桿上殘留液體均按速度u運(yùn)動(dòng)。由此可知，活塞桿上最后殘留的液體厚度h0為接觸壓力最大位置的一半，即：

(9)

2.2 活塞桿向內(nèi)收回工況

(10)

2.3 泄漏總量及規(guī)律分析

一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，液體的泄漏量V漏計(jì)算公式如下：

(11)

式中，d為油缸桿直徑；L為油缸伸縮行程。

由式(11)可知，從密封圈角度，若要減小泄漏量V漏，需要提高主唇口內(nèi)側(cè)的接觸壓力梯度(壓力曲線陡峭)，減小主唇口外側(cè)的接觸壓力梯度(壓力曲線平緩)。

3 密封性提高措施

通過以上研究可知，密封圈與活塞桿的接觸應(yīng)力分布規(guī)律對(duì)其密封性影響較大，為提高蕾形密封圈的密封性，應(yīng)從以下角度進(jìn)行優(yōu)化：

第一，合理選擇主唇口的前、后導(dǎo)油角。如圖3所示，前、后導(dǎo)油角(α和β)對(duì)主唇口區(qū)域的接觸應(yīng)力影響較大，相關(guān)試驗(yàn)表明，隨著前導(dǎo)油角α增大，主唇口內(nèi)側(cè)的接觸應(yīng)力梯度逐漸減小，密封性變差；而隨著后導(dǎo)油角β增大，主唇口外側(cè)的接觸應(yīng)力梯度逐漸增大，泄漏量增加，密封性變差。因此，從密封性角度來(lái)講，希望前、后導(dǎo)油角盡可能小。但另一方面，導(dǎo)油角減小時(shí)，密封唇口與活塞桿的摩擦接觸面積增大，密封磨損加劇，壽命縮短。所以，應(yīng)綜合考慮蕾形密封圈的使用壽命和密封性，選擇合適的前、后導(dǎo)油角，前導(dǎo)油角一般取50°±10°，后導(dǎo)油角一般取25°±10°.

圖3 密封圈前、后導(dǎo)油角

第二，增加副唇口設(shè)計(jì)。一方面，在密封界面上形成除主唇口區(qū)域外的第二峰值壓力區(qū)，使單個(gè)密封圈獲得雙重密封效果；另一方面，進(jìn)一步減小了密封圈與活塞桿的接觸面積，延長(zhǎng)了密封使用壽命。

第三，合理選擇密封的徑向預(yù)壓縮量。徑向預(yù)壓縮量過大，則接觸應(yīng)力過大，磨損加劇，密封壽命縮短；徑向預(yù)壓縮量過小，則唇口內(nèi)側(cè)的壓力梯度減小，密封性變差。一般取徑向預(yù)壓縮量為12%±3%.

4 結(jié)論與討論

(1)煤礦液壓支架的動(dòng)密封主要采用蕾形密封圈，其密封原理是利用流體壓力介質(zhì)使橡膠發(fā)生彈性變形，并使橡膠唇口緊貼活塞桿表面，產(chǎn)生密封效果；

(2)理論計(jì)算可知，活塞桿伸出時(shí)，主唇口內(nèi)側(cè)的壓力梯度越大，則缸體泄漏量越小。活塞桿收回時(shí)，主唇口外側(cè)的壓力梯度越小，則介質(zhì)回收率越高，缸體泄漏量越?。?/p>

(3)為提高蕾形密封圈的密封性，可分別從導(dǎo)油角和徑向預(yù)壓縮量的大小選擇、副唇口設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行優(yōu)化。