冷等静压机上端盖排气系统的故障分析与改造

白秋平

(金堆城钼业股份有限公司金属分公司，陕西西安 710177)

0 前言

等静压成型早在1913年由美国西屋电灯公司H.D.Madden首次发明并在生产耐火材料中得到应用，20世纪60年代后等静压成型向着生产大尺寸、特种耐火材料发展。中国于70年代中期引进、开发、研究及制造等静压设备，如上海重型机器厂等生产的该设备已在上海碳索厂等一批工厂中使用。自80年代初至今，我国先后从国外引进了几十台等静压机及其制造的工艺技术，经过广大科技人员的努力，在设备制造、备品备件国产化、工艺技术的国产化及应用方面都取得了重大进展，有些方面的技术超过世界先进水平。目前等静压技术已在粉末冶金、特种陶瓷、耐火材料、碳材料、复合材料等领域得到广泛应用。

冷等静压机的基本原理是帕斯卡定律，即加在密闭容器内的液体压强能够按照它原来的大小向各个方向均匀地传递。冷等静压的过程是，利用高压泵把液体介质压人钢制的高压密封容器内，在弹性模套内的粉料在各个方向上同时受到液体传递的均衡压力，从而获得密度分布均匀和强度较好的压坯。冷等静压一般采用液体如，水或油作为压力传递介质，热等静压用惰性气体作为压力传递介质，例如，氮气或氩气。同模压法比较，等静压的优点是可以成型复杂形状和尺寸大的制品(例如，具有凹形、空心、细长件和大件等)，摩擦、磨损小，成型压力小，模具易制作，密度均匀，可获得接近完全致密的材料。同注桨法比较，等静压法不需要严格控制料桨的性能，不必干燥。同挤压法比较，长的棒材、管材不易干燥开裂和变形。等静压制在钼粉冶工程中是必不可少的生产环节之一，承担着重多产品的成形任务，如各种规格的棒、板、管、电极以及形状复杂的异型件等，压坯重量从几千克到数百千克不等。如果等静压机出现故障，生产环节被打断，直接、间接损失无法估算。本文根据多年的实践经验结合等静压原理，对等静压机上端盖排气系统故障进行了积极地探索和改进。

1 冷等静机上端盖排气系统的故障现象及分析

我分厂目前使用LDJ500/1500－300型冷等静机是川西机器厂1993年生产的设备，其工作介质为单介质(乳化液)，而该设备的工作环境都是冶金粉末加工，就避免不了工作液中混有钼、钨等有色金属粉末，而这些粉末随着工作液通过排气口泄压时，就会粘附在上高压内衬与排气杆的密封面处，在200 MP的高压下会在上端盖高压内衬与排气杆的密封面处留下细小的压痕而破坏密封面，为设备的下一次使用留下故障隐患，而上端盖高压内衬与排气杆的密封面为环形的线性金属接触面，设备系统的压力又高，很容易在压痕处冲出一道细小的沟槽，从而发生泄露，导致设备在加压的过程中，工作液将通过排气杆系统密封处细小的沟槽一直排泄高压工作液，当增压器打入工作缸的工作液的体积大于泄露量的体积时，设备加压时间延长；当增压器打入工作缸的工作液的体积等于泄露量的体积时，设备压力将升不到工艺要求的压力；当增压器打入工作缸的工作液的体积小于泄露量的体积时设备压力不升反而下降。如果达不到工艺要求的压力，将直接导致压坯成为废料；由于以前钼制品产量较小，每天使用冷等静压压制4次，那么每隔3～5个月更换一次排气系统的上端盖高压内衬和排气杆，现在由于生产钼制品品种的调整，冷等静压机最多每天要压制21次，随着使用频率的增加，更换排气系统的上端盖高压内衬和排气杆的周期变为2～3周，而且新的上端盖高压内衬和排气杆的备件在机加工时由于密封面的圆度公差太大，刚换新的也不能保证有效的密封，频繁的更换排气系统的上端盖高压内衬不仅耽误生产，而且造成维修费用增加，在更换上端盖高压内衬的过程中，通过对旧内衬进行研磨，机加工，提高了备件的再利用效率。但由于手工研磨好一个上端盖高压内衬需要4～7天，劳动强度太大，且手工研磨易出现不同轴的现象，修复配件使用寿命较短。根据2010年的零部件维修统计情况，共更换整套部件5套，维修部件12套次，仅此部件的使用成本在4万余元/年。鉴于以上原因，有必要对冷等静压机上端盖排气系统进行改造。

2 LDJ500/1500－300型冷等静机排气系统工作原理

该排气机构的工作原理是一个单向导通的单向阀，当系统处于停机状态时，排气杆在弹簧力及自重的作用下下移，与处于上高压内衬的阀座脱开，这时排气系统处于导通状态。当等静压机处于工作状态，上端盖下降，由于上端盖外侧密封圈的作用，工作缸内多余工作液和空气只能从排气机构排出，而工作缸内多余工作液和空气对排气杆下端有一个推力作用(注；排气杆的结构是一个小活塞)、但此时的力不足以克服弹簧的弹力使排气杆上移，缸内多余的工作液和空气经排气系统排气口排出。上端盖下降到位，机架移进到位，压机系统预加压泵开始启动加压，经过排气系统的工作液流量和压力急剧上升，作用在排气杆下端部的作用力也急剧增加，当作用力大于弹簧的弹力后，推动排气杆上移，其密封部位与阀座密封部位接触，实现密封，排气系统关闭，整个工作缸处于密封状态，压机系统开始加压工作。其排气系统的结构示意图如图1、图2。

图1 原上端盖排气系统装配结构示意图

图2 密封系统不同状态示意图

3 上端盖排气系统改造的设计方案

3.1 改造方案使用的原理

利用阿基米德定律，浮子在空气中的重量远远大于在液体中的重量，利用该原理，使得浮子及密封阀在工作缸有空气时，浮子及密封阀在自重的作用下保持打开状态，将工作缸中的空气排出；当空气排完后，浮子及密封阀便处于液体中，由于液体的浮力远大于空气的浮力，再加上缸内液体急速向外排时对浮子所产生的向上的推力使浮子上浮，浮子带动密封阀将液体封住，实现密封功能。

3.2 改造设计方案

在此改造方案中，对上端盖及上高压内衬采用尽可能少的改动量，保证上端盖的工作强度及高压下的安全性能，为实现排气系统在升压的过程中不仅能将工作缸内的气体排出，在工作缸没有气体时将工作液及时密封，在超高压状态时不会泄露，而且在工作缸泄压后，密封阀自动打开，实现工作缸内外压力相同。为了实现以上功能，我们对部分零部件做了以下改造，并重新设计加工了以下零部件。

3.2.1 对上高压内衬的改动

将上高压内衬的底部端面进行机加工，经过车、磨，使其端面的粗糙度Ra为0.05 μm，加工后的零件如图3。

3.2.2 设计制作浮子

由于浮子在此所起的作用较为关键，它主要是在空气中与密封阀离开接触面，保持排气系统畅通，在充满液体时，依靠液体的浮力及液体的冲击力，带动密封阀上浮，密封住通道，达到密封的效果，在此浮子必须以下几个特点：

(1)材质的密度轻。因为密度大了在工作液充满工作缸时，浮子无法带动密封阀上浮，起不到密封作用。

(2)具有一定的硬度及韧性。因为浮子在200 MPa的工作液中，所以要有良好的硬度及韧性。

(3)具有优良的加工性能。

综合考虑，浮子的材质选为铝合金，比较适合以上要求。其示意图如图4。

图3 上高压内衬示意图

图4 浮子示意图

3.2.3 设计制作密封阀

由于密封阀是固定到浮子上的，密封阀一起上下移动，所以密封阀是密封的关键部位，它主要是由密封圈进行密封，缸内液体上升到高压后，密封阀的上端面与上高压内衬的下端面接触，进行高压密封因此密封阀的上端面表面粗糙度Ra为0.05 μm，以便接触面能更好地起到密封作用。因为密封阀密封的是300 MPa的压力，所以此密封阀的材质应选为高强度的合金钢。其示意图如图5。

图5 密封阀示意图

3.2.4 改造后上端盖排气系统的装配图及工作过程

图6 改造后的上端盖排气系统装配图

工作过程：在未工作状态时，浮子及密封阀由于自重离开密封面，保持工作缸内与工作缸外成通路，当设备开始加压时，由于气体对浮子的浮力及向上的推力，未克服浮子、密封阀及配重环的重量，密封接触面保持通畅，气体顺着浮子的导液孔经未闭合的密封面，通过上高压内衬的排气管直接将气体排除缸体。当缸内气体排完，液体开始上浮，液体对浮子的浮力及向上的推力，克服了浮子、密封阀及配重环的重量而向上运动，密封阀上的O型密封圈关闭缸体内外的通路，使缸内形成密闭的空间，此时缸内压力开始上升，压力上升到高压状态时，高压液体对密封阀施加的向上的推力越大，使密封阀上接触面及上高压内衬的下接触面更好的紧密接触，由于接触面有较好表变粗糙度，对高压液体就进行较好的密封。当压机泄压完毕时，由浮子、密封阀及配重环仅受到液体对它们的浮力，而没有推力，所以不能克服重力，致使浮子、密封阀及配重环离开密封接触面，缸体内外恢复通路。

4 调试及使用中需改善的问题

(1)配重环是调节排气系统的关键，首先必须通过调整配重环的重量，使整个排气系统能正常的关闭，打开。

(2)在使用过程中发现O型密封圈易被压断，造成密封失败，经过分析，由于O型密封圈未固定，在密封阀打开时易跑位，再次压制时被压断。

解决方法：用502胶水将O型密封圈粘到密封槽中，防止其移位，便解决了此问题。

5 改造后的使用效果

(1)上端盖排气系统改造后，经过使用，取得了良好的经济效益，一个O型密封圈最长可以使用4个月，最短也使用2个月，维修成本几乎可以忽略，每年节约维修成本4万余元。

(2)缩短维修时间，提高了设备运转率。每年维修最多6次，每次维修半小时，几乎不耽误当班生产量，大大缩短了故障维修时间，提高设备产能，减少了产品在压制过程中的废次品率。

(3)维修方便。维修时只需拆卸4颗螺丝，更换O型密封圈即可，节约了人力资源。

［1］刘旭辉.一种高压密封结构的故障分析与设计［J］.润滑与密封，2005，(3)：：139－140.

［2］川西机器厂.冷等静压机使用技术总结［R］.1994.

［3］叶建春.高压密封装置的技术进展.轻工机械［J］.1999，(2)：7－9.

［4］中国科学院沈阳自动化研究所.高压密封装置［R］.沈阳：2005.