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(guān)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(lái)了困難。另外，從煤礦用液壓油缸對(duì)密封性的要求來(lái)看，在液壓油缸的設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，例如沒(méi)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(méi)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(méi)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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(lái)回平穩(wěn)地拉動(dòng)而無(wú)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(wèn)題，而對(duì)此一些設(shè)計(jì)人員并沒(méi)有放在心上，這就會(huì)使設(shè)計(jì)出來(lái)的液壓油缸出現(xiàn)問(wèn)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(wèn)題和油缸本身的排氣問(wèn)題。液壓油缸內(nèi)如果沒(méi)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(lái)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(lái)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhǎng)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?jī)?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(lái)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(guò)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(lái)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(wèn)題。為了長(zhǎng)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(wèn)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(xiàn)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(lái)起到潤(rùn)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(rùn)滑又不發(fā)生外泄?？偠灾?，在設(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?chē)h(huán)境來(lái)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(xiàn)，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(yǔ)

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）