液壓缸活塞密封圈非均勻磨損的機理研究及解決方案

1．簡介

    活塞缸在液壓傳動中使用非常廣泛，活塞外表面密封圈在工作過程中，起到隔離兩腔、防止泄漏的作用。由于工作時密封圈始終與缸筒內(nèi)表面摩擦，因而是需要定期更換的易損件。密封圈的磨損正常情況下應(yīng)是沿周向的均勻磨損，但在工程中經(jīng)常出現(xiàn)密封圈產(chǎn)生單邊、局部的非均勻磨損，導致活塞缸短時間內(nèi)就因泄漏而更換密封圈，直接影響活塞缸的效率以及使用該活塞缸裝置的工作效率。

    通過分析和研究密封圈產(chǎn)生非均勻磨損的機理，可以找出問題所在。改進活塞缸的相關(guān)結(jié)構(gòu)，解決其產(chǎn)生非均勻磨損的問題，對減小泄漏、提高活塞缸的效率，具有十分重要的意義。

2．活塞密封圈非均勻磨損的機理

    活塞缸工作時，活塞在缸筒內(nèi)作往復直線運動。在活塞外表面與缸筒內(nèi)表面完全同心的情況下，密封圈產(chǎn)生的是均勻磨損。在不考慮其他影響因素的情況下，即使活塞與缸筒在制造、裝配時不能做到完全同心，但由于裝在活塞外表面密封圈彈性變形后的彈性力作用，缸筒會對密封圈產(chǎn)生沿周向均勻分布的徑向力F，見圖K(a)，這個徑向力F可以確保活塞與缸筒同心，使活塞在缸筒內(nèi)以同心的軌跡做往復運動，見圖K(b)，這時密封圈產(chǎn)生的是一種均勻磨損。

    活塞與缸筒是否同心，除了受白身同軸度精度的影響外，還與活塞桿有關(guān)。活塞與活塞桿作為一個整體在缸筒內(nèi)作往復直線運動，由于制造工藝的要求，活塞與活塞桿一般是分開制造，然后通過適當?shù)倪B接方式將二者固接在一起。活塞與活塞桿的連接形式很多，目前采用的基本都屬于剛性連接，見圖L。

    由于制造、裝配的誤差，活塞與活塞桿連接后，多種影響因素也可能導致活塞與缸筒產(chǎn)生同軸度誤差，這些影響因素包括；

    (1)活塞桿連接外表面與活塞內(nèi)表面的同軸度誤差，見圖L中A處；

    (2)活塞桿外表面與缸蓋內(nèi)表面的同軸度誤差，見圖L中B處；

    (3)缸筒內(nèi)表面與缸蓋外表面的同軸度誤差，見圖L中C處。

    同時，當活塞桿與被驅(qū)動負載連接以后，負載對活塞與缸筒的同軸度也會產(chǎn)生影響。

    正是由于這些疊加產(chǎn)生的誤差，使活塞與缸筒不同軸，從而導致密封圈產(chǎn)生非均勻磨損。

    要解決上述同軸度誤差，首先要保證相關(guān)零件的加工精度，如保證活塞桿的直線度、活塞密封溝槽的加工精度以及活塞桿與活塞的同軸度；其次在安裝時要避免液壓缸軸心線與負載運動方向的偏離。因此，在零件加工時，盡可能采用先進的工藝方法以保證各個零件的加工要求；其次，在液壓缸裝配時，也應(yīng)盡量保證缸筒與缸蓋、缸蓋與活塞桿的同心，防止密封圈的偏磨，這對防止液壓缸的泄漏是非常有效的，也是非常必要的。但在液壓缸實際加工過程中，由于機床精度、零件加工裝夾定位、分工序加工等的影響，致使液壓缸在裝配時很難保證上述同軸度，最終導致密封圈的偏磨，使密封圈的密封效果急劇下降而失效。

    我們以常見的半環(huán)式連接結(jié)構(gòu)為例，來分析密封圈產(chǎn)生非均勻磨損的機理。

    當活塞與活塞桿剛性連接以后，由于制造、裝配、使用的原因，上述分析的三種原因使活塞軸線與缸筒軸線產(chǎn)生一個角度，見圖M(a)。這時密封圈上的變形不等，在密封圈上產(chǎn)生沿周向非均勻分布的徑向力，見圖M(b)。非均勻分布的徑向力使作用在密封圈上的正壓力不等，從而使密封圈與缸筒內(nèi)表面沿周向產(chǎn)生的摩擦力不等，導致磨損量大小不等，最終造成密封圈沿周向產(chǎn)生非均勻磨損的結(jié)果。

3．解決密封圈非均勻磨損的方法

    活塞桿與活塞連接的功能是將活塞兩邊由于壓力差或面積差所產(chǎn)生的力傳遞給活塞桿，通過活塞桿驅(qū)動負載運動。從前面的分析可知，在不考慮上述分析的三種原因的情況下，即使活塞外表面與缸筒內(nèi)表面不能做到完全同心，依靠活塞外表面的彈性密封圈，也可以保證活塞與缸體的同軸。所以，應(yīng)設(shè)法排除上述三種原因?qū)钊c缸體同軸度的影響。

    在活塞與活塞桿之間采用柔性連接方式，可以解決因為剛性連接及前面所述原因?qū)钊獗砻媾c缸筒內(nèi)表面同軸度的影響，消除密封圈的非均勻磨損，同時不會改變活塞桿與活塞的連接功能。

如圖N所示，活塞與活塞桿之間采用較大的間隙配合，活塞兩端面與兩個壓板之間也留有較大間隙，在活塞與活塞桿之間配置“O”形密封圈，其彈性系數(shù)要小于活塞外表面密封圈的彈性系數(shù)。“O”形密封圈有兩個作用：一是在活塞和活塞桿之間起密封作用；二是通過自身變形，消除因為活塞桿與活塞連接以后的誤差對活塞外表面與缸筒內(nèi)表面同軸度的影響。

 

    當由于活塞桿連接外表面與活塞內(nèi)表面的同軸度誤差、活塞桿外表面與缸蓋內(nèi)表面的同軸度誤差、缸筒內(nèi)表面與缸蓋外表面的同軸度誤差，以及活塞桿與被驅(qū)動負載連接以后負載對活塞與缸筒同軸度的影響，使得活塞桿軸線偏離缸筒軸線時(見圖O)，由于活塞與活塞桿之間的較大間隙、活塞兩端面與兩個壓板之間的較大間隙及“O”型密封圈所產(chǎn)生的彈性變形，使得活塞外表面在密封圈彈性力的作用下保持與缸筒內(nèi)表面同軸，避免活塞由于活塞桿軸線偏離缸筒軸線所引起的活塞外表面與缸筒內(nèi)表面的不同軸，從而消除了密封圈由于變形不等而產(chǎn)生的沿周向非均勻分布的徑向力，以及隨之產(chǎn)生的非均勻磨損。

4．總結(jié)

    密封性能是液壓缸的重要性能之一，這項性能的好壞直接影響液壓缸的工作性能、可靠性以及使用壽命。為保證液壓缸具有良好的密封性能，可以通過柔性連接方式，將其他因素對活塞外表面與缸體內(nèi)表面的同軸度影響消除掉，解決活塞密封圈的非均勻磨損，同時由于降低了對活塞、活塞桿、缸筒及缸蓋制造精度的要求，使上述零件的加工成本和裝配成本降低，達到事半功倍的效果。