孫威，張寒羽，鐘家怡，梁興華，陳素姣

（柳工柳州傳動件有限公司，廣西柳州 545007）

0 引言

壓路機是一種路面機械，廣泛應用于路基建設、平整地面、壓實路基等作業(yè)，作業(yè)時車速緩慢，一般為4 km/h。根據(jù)實際需要，一部分壓路機已經通過輸入動力反拖代替行車制動，但保留了駐車制動系統(tǒng)。隨著靜液壓壓路機橋的推廣及應用，在驅動橋上配置駐車制動器已經成為施工現(xiàn)場標配。制動器作為關鍵的功能性結構，其發(fā)生故障會影響整機的使用，其失效模式多以制動器漏油、制動力不足為主。國內制造行業(yè)的專家與學者們對密封圈進行了大量研究，其中劉文華等［1］通過對進口設備故障進行分析，確認了造成星形圈翻滾的原因是密封圈與桿壁摩擦力大；陳慶等［2］通過科學計算、理論分析，對影響密封圈的泄漏量的介質壓力、往復運動速度及介質黏度等因素進行分析，認為“O”形橡膠圈不適宜在重負荷工況或潤滑差的情況下使用，因為其易導致密封圈翻滾磨損。趙虹輝［3］通過對派克舊件分析得出造成密封泄漏的原因主要與活塞桿損壞、介質污染、極端工作溫度、化學物質侵蝕、工作壓力過高等相關。以上研究都對密封圈的泄漏原因進行了科學、有效的分析和計算，并給出“O”形密封圈的特點及導致密封失效的主要原因，同時前人的研究對外部環(huán)境的影響也進行了分析與總結，但未包含對干式、無油液介質的制動環(huán)境進行模擬分析，本文主要研究壓路機橋干式駐車制動密封的選型、計算及試驗方法，以解決制動器漏油問題。

1 某靜液壓壓路機駐車制動器結構及工作原理

干式駐車制動器的密封結構如圖1所示，活塞與缸孔采用密封設計，活塞的大端采用活塞動密封、活塞的小端采用活塞桿動密封。

圖1 干式駐車制動器結構

在停車狀態(tài)下，活塞因碟形彈簧壓緊底部摩擦副，摩擦副通過花鍵與動力輸入齒輪花鍵連接，利用摩擦副壓緊，摩擦力使其保持靜止不能轉動，實現(xiàn)停車制動。當液壓油從入口進入，將活塞向上頂起，摩擦副釋放不再受壓，隨之制動停止，整機根據(jù)輸入動力啟動行駛作業(yè)。對于壓路機，車速較慢、停車制動器的使用不頻繁，整個生命周期（制動次數(shù)）有5 000 次左右的制動次數(shù)。但是，停車制動器的工作環(huán)境處于無油液浸泡的干式環(huán)境，與傳統(tǒng)的濕式制動器浸泡在齒輪油中的工作環(huán)境相比，停車制動器的工作環(huán)境更惡劣，更容易出現(xiàn)故障。

2 失效模式分析與計算

2.1 失效模式

經過對舊件的拆檢分析，反饋時間段多集中在整機工作300 h 以內，工程機械屬于早期的故障反饋。拆檢舊件發(fā)現(xiàn)制動器的故障失效模式為“O”形圈扭曲變形（如圖2所示）。

圖2 “O”形圈扭曲變形

2.1.1 “O”形圈扭曲變形

扭曲變形（如圖2所示）會導致“O”形圈材料無法精準填充密封溝槽，不能按照設計計算的壓縮率、填充率實施密封，導致密封處漏油。

2.1.2 “O”形圈嚴重磨損

扭曲變形后“O”形圈嚴重磨損是常見的密封故障反饋形式，因磨損造成材料缺失，使密封圈的壓縮率發(fā)生改變，導致密封失效。

2.2 失效原因分析

經過調查確認，制動器在出廠測試時進行了密封性能測試，不存在漏油、制動密封失效的情況，說明“O”形圈的初始壓縮量能夠滿足密封要求。其他制動器相關零件也無異常，活塞密封面粗糙度、殼體密封面粗糙度均滿足制動器的需求。經分析后，總結失效原因如下。

2.2.1 “O”形圈扭曲

造成“O”形圈扭曲的原因是裝配或密封圈使用過程的摩擦力不均勻，包括缸孔及活塞桿的制造間隙不均勻、“O”形圈斷面直徑不均勻、缸孔或活塞桿圓周粗糙度不一致、活塞桿往復過程跳動等。當局部摩擦力大于“O”形圈橡膠抗扭力時就產生翻轉扭曲。

2.2.2 “O”形圈的磨損

硬度不足會導致“O”形圈耐磨性能下降，市場中的整機中，“O”形圈已經工作超過2 000 h，并且當前“O”形圈的硬度已經達到使用要求，因此硬度不足非造成失效的主要原因。此外，橡膠材質、活塞、活塞缸粗糙度等均滿足“O”形圈密封標注的要求，非造成失效的主要原因，但工況灰塵較大，可能需要更好的防塵裝置。

經過對舊件進行分析排查發(fā)現(xiàn)，“O”形圈的材質、尺寸、活塞缸，以及活塞桿的粗糙度、尺寸均符合設計要求，所以針對靜液壓壓路機干式駐車制動器密封特點，需要回顧和優(yōu)化預拉伸率、預壓縮率、壓縮率參數(shù)設計。

2.3 活塞密封的預拉伸率y計算

其中：d1為“O”形圈內徑，d3為“O”形圈槽底直徑（活塞），最小預拉伸率等于0。ymax應滿足國標［4］建議的最大預拉伸率（見表1）。

表1 國標建議的活塞密封“O”形圈最大預拉伸率

計算得出，故障“O”形圈的預壓縮率為2.8%～2.92%，符合國標要求。

2.4 活塞桿密封的預壓縮率k的計算

其中：D0為“O”形圈界面直徑，d6為溝槽底徑（制動殼體），最小預壓縮率應等于0，kmax應符合國標建議的最大預壓縮率（見表2）。

表2 國標建議的活塞桿密封“O”形圈最大預壓縮率

計算得出，故障“O”形圈的預壓縮率為2.8%～2.92%，符合國標要求。

2.5 壓縮率的計算

其中：D0為密封“O”形圈截面直徑，mm；D為密封腔體大徑，mm；d為密封腔體小徑。

計算得出，故障“O”形圈的壓縮率為12.6%～18.2%。符合國標的建議值（見表3）。

表3 國標建議的活塞密封、活塞桿密封構造深度的極限值及對應的壓縮率（單位：mm）

一般壓縮率與永久變形存在一定關系（如圖3所示）。

圖3 壓縮率與永久變形關系圖

壓縮率的范圍為9%≤12.6%～18.2%≤19.5%，符合國標要求。

通過以上計算可以得出，當前的“O”形圈符合密封標準要求，但是由于靜液壓壓路機駐車制動器“O”形圈服役環(huán)境的特殊性，以及壓路機制動器工作油壓不高，為1～3.5 MPa，因此拉伸率、預壓縮率、壓縮率的參數(shù)仍有優(yōu)化空間。適宜的取值有利于減少摩擦力，尤其是干式無油側的摩擦力（遠大于有油側），還可以消除翻轉扭曲及磨損失效。通過試驗的方法將“O”形圈壓縮率調整到一個合適的值，使“O”形圈不再發(fā)生扭曲且磨損量最小，保證密封不漏油。

3 制動密封可靠性試驗

為解決制動器漏油的問題，經計算分析未能確認壓縮率的影響，需要通過可靠性的臺架耐久性試驗進行驗證和確認，通過模擬制動系統(tǒng)活塞運動方式搭建試驗臺，并通過調整“O”形圈的壓縮率，對比在相同試驗條件下試驗結束時“O”形圈壓縮率的變化。

取制動器組件，按圖1 設計裝配完畢，通過設計相同的“O”形圈與不同尺寸的活塞及制動器殼體調整“O”形圈的壓縮率，模擬整機實際解除制動的壓力進行周期性加載，達到目標試驗次數(shù)后拆檢確認磨損量，再以不同磨損量進行對比、分析，并且計算壓縮率的變化，取磨損最小且未發(fā)生漏油為目標試驗結果。

3.1 試驗裝置

試驗臺搭建包含接油盤、試驗用制動器組件、壓力泵站、壓力表、連接油管，試驗件的擺放必須按照裝置置于整機上的位置進行，否則會影響試驗效果；必須設置接油盤在制動器測試時有油液流出，避免污染環(huán)境；試驗裝置應固定，保證試驗的安全性。

3.2 試驗壓力及次數(shù)的選擇

由于停車制動器工作頻次低，按照壓路機的使用情況，每天需要使用4次左右。整機行車速度慢，一般臨時停車時，駕駛員不操作制動器，僅在休息時實施停車制動，所以實際所需的試驗時間較短。按8 s一個循環(huán)計算，預計2 d可完成一次試驗。

停車制動器與行車制動系相比，停車制動器置于輸入端，一般行車制動器置于終端（輪邊減速器附近），所以停車制動器所需的制動力矩更小，試驗所需要的液壓油壓力更小，一般靜液壓壓路機駐車制動器壓力取值為1～3.5 MPa?？筛鶕?jù)實際液壓泵站配置及試驗安全性要求，考慮從中選擇合適的試驗壓力開展試驗。本次試驗的停車制動器壓力設置為1.5 MPa。

3.3 試驗周期

其中：T為試驗周期，h。t1為加壓時間，s。t2為保壓時間，s；為保證活塞行程的充分性，t2應大于10 s。t3為泄壓時間，s；根據(jù)試驗液壓泵站能力，盡量取小值。n為試驗次數(shù)。

3.4 試驗數(shù)據(jù)分析

試驗采用5 種不同初始壓縮率的“O”形圈配套制動器（如圖4所示），壓縮率大于14%的試驗次數(shù)未能達到目標就出現(xiàn)滲漏，甚至在早期出現(xiàn)扭曲變形的情況。可見，在干式制動器中，壓縮率過大會造成不符合工況條件。但是，不能為防止扭曲變形而盲目降低壓縮率，從實驗過程中得出，當“O”形圈的壓縮率小于5%后，試驗初期就出現(xiàn)了滲漏現(xiàn)象，制動器失去密封性能。

圖4 5次試驗前后的壓縮率對比

本次試驗在同一時間段完成，試驗環(huán)境相同，為避免試驗件拆檢與恢復誤差，均由同一人操作。經試驗結果確認（如圖4所示），當“O”形圈壓縮率控制在6%～13.5%時，可有效防止“O”形圈翻轉扭曲及過度磨損，進而防止壓路機橋制動器發(fā)生早期故障；同時，補充計算預拉伸率及預壓縮率均在標準要求范圍內，所以對靜液壓壓路機橋駐車制動器“O”形圈密封的改進是有效的。

3.5 優(yōu)化方案的延伸

綜合“O”形圈改進的方案，同時驗證了新結構形式的密封圈（“X”形圈、“D”形圈）的壓縮率基本與“O”形圈保持一致（如圖5所示），試驗結果良好。此外，進一步完善防塵方案，確認最終方案（如圖6所示）。

圖5 “X”形圈、“D”形圈示意圖

圖6 制動器改進方案

外部“O”形圈可有效防塵，防止異物進入導致密封圈磨損。支撐導向帶起到支撐作用，保證活塞不偏壓密封圈，而“X”形或“D”形密封圈可有效防止翻滾、扭曲變形。

4 結語

本文針對某款靜液壓壓路機橋停車制動器的早期漏油問題，結合制動器工作特點，對密封結構進行分析和試驗驗證。驗證表明，導致制動器早期漏油的主要原因是“O”形圈的壓縮率選取不當，引起早期的扭曲變形和過度磨損。當壓縮率控制在6%～13.5%時，密封性能具有較高的可靠性，可以滿足整機的使用需求。此外，停車制動密封選擇“O”形圈主要考慮的是“O”形圈模具簡單、標準件多、便于選擇、成本低。其他形式的密封圈也能在解決早期故障漏油問題上發(fā)揮重要作用，如“X”形圈、“D”形圈，其不規(guī)則形狀可有效防止扭曲變形及翻轉，“X”形圈的密封唇口有兩道，密封效果更好，“D”形圈的密封接觸面積更大，可提升制動器密封的性能。