矿用液压支架油缸密封的探讨与改进.pdf
2 0 1 0年 1 0月 第 3 8卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUL I CS 0c t . 2 0 1 0 Vo 1 . 3 8 No . 2 0 DOI 1 0 . 3 9 6 9 / j . i s s n . 1 0 0 1 3 8 8 1 . 2 0 1 0 . 2 0 . 0 4 0 矿用液压支架油缸密封的探讨与改进 王万军,孔祥博 淄博爱科密封件有限公 司 ,山东淄博 2 5 5 1 2 0 摘要对矿用液压支架油缸在瞬态高压下的密封进行探讨,从结构、密封机制、材料和关键尺寸的选取方面进行分 析 ,设计出一款新的组合 自紧式密封系统。根据现场的安装使用情况以及井下技术人员反馈回来的信息 ,证明这种组合 自 紧式密封系统是有效 的、可靠 的。 关键词 结构设计 ;密封机制 ;材料 ;关键尺寸 ;自紧式密封系统 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 01 1 9 2 Di s c us s i o n a n d I mpr o v e me nt o n S e a l i n g o f Cy l i n de r i n M i n i n g Hy d r a ul i c S up po r t WANG Wa n i a n.K0 NG Xi a n g b o Z i b o Ai k e S e a l C o mp o n e n t s C o .,L t d . ,Z i b o S h a n d o n g 2 5 5 1 2 0,C h i n a Ab s t r a c t T h e s e a l i n g o f mi n i n g h y d r a u l i c s u p p o r t c y l i n d e r u n d e r t r a n s i e n t s t a t e h i g h p r e s s u r e c o n d i t i o n w a s d i s c u s s e d . T h r o u g h a n a l y z i ng s t r uc t u r e, s e a l i n g me c ha ni s m , ma t e r i a l a n d c r i t i c a l s i z e, a n e w s e l f - t i g h t s e a l i n g s y s t e m wa s de s i g ne d. Ac c o r d i n g t o t he i n s t a l l a t i o n a n d u s i n g s i t u a t i o n i n s c e n e a n d t h e i n f o r ma t i o n f e e d e d b a c k . t h i s s e l f - t i g h t s e a l i n g s y s t e m i S v a l i d a n d r e l i a b l e . Ke y wor d s S t ruc t ur a l d e s i g n;Se ali ng me c h a n i s m ; Ma t e r i al ; Cr i t i c a l s i z e; S e l f - t i g h t s e a l i n g s y s t e m 在矿用液压支架实际工作中,由于地质条件的复 杂性 、多样性 ,顶板来压 大多 具有 突然 性 、瞬 间性 、 压力大等特点。要求支架立柱油缸的密封系统能在短 时间内承受高压冲击。而该冲击压力高达 1 0 0 M P a以 上 ,因而在轴 与密 封件 的接 触 面上 可能 产 生液 体泄 漏 ,影响井下安全生产。 瞬态高压 条件下的密封问题相对特殊 ,所以国 内外 关于这方 面的研究报道 和相应文献并不多见 。普 通密封技术一般 只能承受几 十兆 帕的压力 ,远远不能 满足要求。常见的高压密封 包括多级组合密封,一 般不能承受高压冲击型压力且密封结构复杂 ,制造成 本较高 。 1 结构设计及密封机制 1 . 1结构设 计 对于瞬态 高压工况 ,在设计密封系统要考虑 以下 几个 因素 1 可靠性。顶 板释 放 的压 力很 高 ,且压 力 是 瞬问冲击型 的,要求有足够的可靠性。 2 保压性。支架立柱油缸要连续不断地提供 支护能力 ,才能保 障井下连续 的生产工作 ,密封系统 要有高度的保压性能。 3 高、低压的密封性。在支架工作期间,油 缸 内的压 力 是从 0开始 上 升 到支 护 压 力 3 0 M P a 后开始保压 ,所 以密封系统对于低压也要有 良好的密 封性能 。 4 经济性。密封系统要有 良好 的防蠕变、抗 老化 能力 ,易加工 ,易装 配。 综合上述 因素 ,设 计 的密 封 系统 结构 如 图 1 所 示 。密封本体 、导 向环安装到压盖 内,其与轴接触且 过盈配合;密封环 1 与密封环 2 也是过盈配合。 督 封 环 1 图 1 密封系统结构 1 . 2密封机 制 设计的密封系统的密封机制如图 2 、3所示。在 低压时 图2 ,密封环 1与轴是过盈配合,其产生 的弹性变形使之 紧密贴合 在轴上 ,加之环 1 与环 2过 盈配合 ,环 2又对环 1 施加一个径向力 ,从 而在低压 一 一 环 1 环 2 图 2 密封机制 p 0 环 1 环 2 图 3 密封机制 P 0 收稿 日期 2 0 0 91 21 5 作者简介王万军 1 9 7 0 一 ,男,学士,工程师,主要从事密封技术工作。电话1 3 9 6 4 4 9 2 8 5 6 。 1 2 0 机床与液压 第 3 8 卷 时起到密 封作 用 ;当 压力 达到 一定 程度 时 图 3 , 环 2 受压产生径 向膨胀 ,推动环 1 径 向压缩 ,并产生 轴向位移 ,使环 1 类似于三角环向缝隙处进行 自紧式 楔人 ,压力越大 ,楔入越紧 ,密封效果越好 。 此 时主要受力如 图 4 所示 ,环 1 刚开始时所 承受 的压力主要由环 2传递 ,在环 l 与环 2 之间有一定空 间 空 问 1 、空 间 2 ,但 由于液体没有压力 ,空 间 1 和空间 2压力非常小 ,可以不计 。当系统压力开始升 高时 ,压力直接作用在环 2 和空 间 1 处 ,使环 1 与轴 贴合得更加紧密 ,难 以形成泄漏 ;此时环 2与构 件压 盖 问由于压力引起变形 ,产生一些微小缝隙 ,形成迷 宫式密封,从而产生较强的压力降,因此当液体流入 空 间 2时 ,压力 降已很大 ,也不能形成 泄漏 。此 时环 1 受 的压力一方面由环 2继续传递 ,另一方面空间 1 、 2有压力液体 ,从 而给环 1 一 定压力 。当压力达到最 高并下 降时,迷宫机 制仍起作甩 ,使空 间 2 的压 力 下 降滞 后 于 系 统内压力 ,因此 ,环 1 会 一 直 紧 密 贴 合 轴 , 从 而在 整 个 工 作 期 间 持续有效密封 。 图4 受力分析 2 材料及关键尺寸的选取 材料及关键尺寸的选取要保证密封系统工作时达 到上述状态并有足够的可靠性 ,因此在选取材料及尺 寸前必须进行受力分 析和强度分析 。 2 . 1 受 力分析 主要由环 1 承封轴 向高压液体 ,所 以主要分析环 1的轴 向受力。当达 到一定 压力 时 ,两环开始 克服摩 擦力和 自身的变形抗力产生弹性变形 ,密封环 2推动 密封环 1 产生径 向和轴向变形 ,环 1由于结构上 的限 制做轴 向运动 ,假设环 1 为很短 的薄壁 圆环 ,其受力 如图 4所示。环 1 沿轴 向单位面积上的受力关系为 F F 1 F 2 F 3 . , C O S O / F 4 c o s o g F 式中F 。 为液压通过环 2克服其变形抗力和摩擦力 后作用在环 1 上 的压力 。 为作用在空间 1 处环 1 上 的压力。 为液体流入空间 2处作用在环 1上的压 力。 为斜面对环 1 的反作用力。 为斜面对环 1的 摩擦力; 为楔角; 为轴表面对环 1的摩擦力。F 为环 1的变形抗力 ,且有 F 2 d EAI / D e 式中 d为 轴 向变 形 量 ;E为 环 1沿 轴 向的 弹性 模 量;A 为环 1 的图示形状截面积 ;D为环 1的内径; e 为环 1的径 向厚度 。 2 . 2密封环 的选取 系统要求密封环 2的弹性较大 ,在系统内压力较 高时变形 ,并 产 生缝 隙 ,形 成 迷 宫 ,内外压 力 差有 限 ,不 承受太高压力 ,但 由于密封的介质和温度的不 同 ,要有相应 的适应性能 。通过对各种常见密封材料 的分析 比较 ,选用丁腈橡胶或氟橡胶材料 ,该材料具 有足够的弹性和一定的强度,并有标准规格 ,可以直 接购买 ,且价格不高。 2 . 3 密封环 1的选 取 密封 环 1的选取 相对 困难 ,其 最大 的矛盾在于 环 1 要产生弹性变形 才能起 到 良好 的密封效果 ,应选 取弹性模量较低的材料 ,这也有利于降低冲击应力, 但这类材料往往许用应力也较低。该密封环既要有合 理弹性变形又要防止密封环破裂或发生塑性变性不能 复原。所以选取密封环时应保证其最大总变形量和承 受的最大剪切力在 弹性 范围内。 选取范围为常用密封材料。经过比较筛选,使用 两种材料 1 填充 1 5 %玻璃纤维和 5 %二硫化 钼的 聚四氟 乙烯 ; 2 尼龙 ,其强 度高且 弹性满足要求 。 尼龙在 润滑性能方 面有所欠 缺 ,所 以填 充 P T F E材料 的可靠性更强 。玻璃纤维具有高 比强度和 比模量 ,是 经济实用 的增强材料之一 ,二硫化钼是 常用的固体润 滑剂改性剂 ,将玻璃 纤维 粉和二硫 化钼 共混到 P T F E 中可 以有效提高其硬度和压缩强度 。 首先,该材料满足合理的变形 ,在初始时,环 1 对轴就有一个径 向预紧力 ,虽然不 大 ,但足够起到 良 好的密封效果;其次,其最大变形量在弹性范围内。 在文 中条件下 ,由于密封形 式及结构 的限制 ,受挤压 最大变形量在2 m m以内,这一数值在该材料的弹性 范 围内 断裂 伸长 率 2 0 0 % ;第 三 ,该 密封 结构 受 到一个 轴向剪切 力 ,该最大 剪切力 要在许 用范 围 内。 通常剪切力是使材 料发生 塑性变形 的 主要 因素 之一 , 这种结构将使密封环 1在间隙处承受一定的剪切力 , 但在楔 角为 6 0 。 的条件下 ,环受力后迅 速楔入 ,结构 上限制了密封环的扭曲变形 ,且轴与压盖问的最大间 隙为 0 . 1 8 m m,密封环 1的厚度 e 8 . 4 m m;楔角部 分宽 C 8 m m,密封 环 的厚 度和宽 增加 了环 的强度 , 提高 了其承受剪切力 的能力 。 3 现场安装 、实验 所有的设计成功与否都要通过实践的检验。为了 保证实验的细致、周密,先制作了两套密封件在支架 制造公司进行实验。推移油缸安装好后,进行试压实 验 ,先缓慢 地进 行 了 4次推 拉 ,以排 出油 缸 内的空 气,再进行加压实验,试压泵打到4 0 M P a ,没有泄 漏 ,进行 保 压 2 0 m i n也 没 有 泄 漏 ,继 续 加 压 到 5 0 MP a 试 压泵最 高压力 ,没有泄漏 ,保 压 3 0 m i n同 样没有出现渗漏。但这也不能说明新型密封的设计成 下转 第 1 2 3页 第2 0期 胡海清 等液压压力顺序控制回路故障分析及对策 1 2 3 X P T L a 结构 图 X b 图形 符 号 L 图6 直动式外控顺序阀结构图 在图5所示回路中,外控式顺序阀控制油 口与液 压缸 1 A 1 无 杆腔 直接 连接 ,其 压力 不再 是 溢 流阀进 油 口的压力 。溢流阀即使导通分流 ,也不会对顺序 阀 的启 闭产 生 影 响。只 有 当液 压 缸 1 A 1无 杆 腔 压 力 夹紧力上升至顺序阀开启压力时,顺序阀才会导 通。此时液压油 才能 进 入液 压 缸 2 A 1 无 杆 腔 ,使 液 压缸活塞杆伸出。这样就确保 了在液压缸 1 A 1无杆 腔压力控制下 的液压缸顺序动作 。液压 回路按 图 5进 行改造后 ,液压缸 2 A 1动 作不 正 常现 象 消失 ,液压 装配设备运行可靠 ,满足设计要求 。 在排除压力顺序控 制 回路故障 的过程 中,除 了应 考虑顺序阀控制方式选 择是 否正确外 ,还应 注意溢流 阀压力的调定。如果 溢流阀开启压力低于或 只稍高于 顺序阀通过最 大流量时 的压力 ,这样虽 然液压缸 1 A 1 运动能达到设计要求 ,但液压缸 2 A 1由于顺序 阀开启 时溢流阀大流量溢流而无法达到设计要求的伸出速度 或出现速度不稳定现象。因此 ,在调定 时应 使溢流 阀 0 V l 的开启压力高出顺序阀开启的最高压力 0 . 5~ 0 . 8 M P a ,这样压力顺序控制 回路才不会 出现上述问题 。 根据顺序 阀的压力 一流量特性 曲线 ,可 以看到输 入压力的波动对顺序阀流量有着一定的影响,所以这 种 回路不能用于压力波动大或速度稳定性要求 高的场 合 。对于这种情 况就应该通过压力继 电器和调速 阀来 构成电控 压力顺序控制 回路 图 7 。 1Bl 图7 采用压力继电器的压力顺序控制回路 4结束语 在液压 系统 中,压力顺序控制 回路是一种基本 的 压力控制 回路 ,它在工业 中有着很广泛的应用 。在设 计和调节时一定要充分了解顺序阀的结构特点和工作 特性,才能保证设备安全可靠运行。对于比较复杂的 液压系统或为满足 自动控 制需要 ,可 以通过在指定位 置安装压力 继电器来 实现执行元件 的压力顺序动作控 制 。 参考文献 【 1 】 刘新德. 袖珍液压气动手册 [ M] . 北京 机械工业出版 社 , 2 0 0 4 . 【 2 】M e r k l e r D , S c h r a d e r B . 液压技术[ M] . 上海 同济大学 出版社 , 1 9 9 1 . 【 3 】左健民. 液压与气压传动[ M] . 北京 机械工业出版社, 1 99 8. 【 4 】雷天觉. 新编液压工程手册[ M] . 北京 北京理工大学出 版社 , 1 9 9 8 . 【 5 】胡海清. 气压与液压传动控制技术[ M] . 北京 北京理工 大学出版社 , 2 0 0 9 . 【 6 】 许贤良, 王传礼. 液压传动[ M] . 北京 国防工业出版社, 2 0 08. 上接 第 1 2 0页 功 ,首先 ,试 压泵的压力不够 ,其次 ,没有经过井下 现场的真正检验。通过与煤矿的联系沟通,可以在井 下支架维修时安装上 1 0套新型密封进行实验。为了 保证实验 的真实可靠 ,作者到煤矿支架维修 中心进行 协助安装实验 。把 l 0支油缸 安装好后 ,每一 条油缸 都要进行加压和保压实验,因为前期在支架制造公司 作过了5 0 MP a的加压与保压实验,在维修 中心一上 来就加压到 7 0 M P a 进行保压,保压实验进行到第 6 m i n时高压油管突然爆裂,维修人员更换 了新的高 压油管 ,继续 加压 到 9 0 M P a ,保压 3 0 ra i n ,没有 出 现泄漏 ,再进行加压到 1 0 0 MP a 进行保压 3 0 ra i n ,也 没有 出现渗漏 。从井下工程技术人员反馈 回来 的信息 看没有 出现任何问题 ,工 作状况 良好 ,证 明这种组合 自紧式密封系统有效可靠。 参考文献 【 1 】张浩, 周彦煌. 一种瞬态高压条件下的密封设计[ J ] . 润 滑与 密封 , 2 0 0 6 5 1 3 21 3 4 , 1 4 1 . 【 2 】 徐灏. 密封 [ M] . 北京 冶金工业出版社, 1 9 9 9 . 【 3 】王昌明, 柳光辽. 新型高压动密封的应用与研究[ J ] . 润 滑与密封 , 2 0 0 0 4 3 6 3 8 . 【 4 】 顾永泉. 液体动密封[ M] . 北京 中国石化出版社 , 1 9 9 2 . 【 5 】 单昆仑 , 向定汉. 短玻璃纤维和石墨填充 F I F E的摩擦 磨损特性研究[ J ] . 润滑与密封, 2 0 0 6 5 8 8 9 0 . 【 6 】 马希晨, 曹亚峰, 吕秀荣, 等. 石墨、 玻纤粉填充聚四氟 乙烯模压制品性能研究[ J ] . 中国塑料 , 1 9 9 6, 1 0 3 . 【 7 】朱红, 王淮英, 王芳辉. 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