液压机供锭夹持缸故障分析与改进

周 峰

（太重（天津）滨海重型机械有限公司 技术中心，天津 300457）

在液压系统中，设置密封装置和元件的作用在于防止工作介质泄漏，以及灰尘、异物等侵入。液压机供锭夹持缸设计时，因O形密封圈具有密封性能可靠、密封沟槽结构简单，且易拆卸、运动阻力小等特点，而被广泛应用。但在实际工况下，应用于某厂的液压机供锭夹持缸却常常出现密封圈损坏，导致工作介质泄漏，难以实现设计意图。

1 问题提出

某厂液压机供锭夹持缸液压回路如图1所示。当电磁换向阀4左位接入回路时，液压泵1输出的压力油进入夹持缸7的活塞腔，活塞前进，当活塞杆接触欲夹持铸锭后，活塞腔内压力升高，当压力升高到设定数值后，压力继电器6发出信号，使主油路换向阀工作，液压泵1输出的压力油流入供锭缸，夹持缸由液控单向阀5保压，使它保持夹持铸锭状态，满足铸锭夹持压力需求。阀3为主油路安全溢流阀，与电磁阀换向阀2组成卸荷回路。

图1 液压机供锭夹持缸液压回路

系统应用时发现，当液压泵1输出的压力油流入供锭缸时，供锭缸快速进给，供锭夹持缸夹持不住铸锭，有松动现象。

2 原因分析

供锭夹持缸夹持不住铸锭，这说明夹持缸不能保压，原因可能是夹持缸活塞腔一侧的液控单向阀密封不严，或是夹持缸与管道之间连接管接头存在泄漏，或是夹持缸内部密封失效。经排查，液控单向阀工作正常，各处管接头也无外泄现象，由此推断故障可能由夹持缸内部密封失效引起。

供锭夹持缸活塞密封结构如图2所示，此种结构密封性能好，且结构简单，易于安装维护。通常情况下，作静密封时，没有泄漏；作动密封时，只有在高速移动时才有可能泄漏。本液压回路中，夹持缸夹持铸锭时处于静止状态，本应无泄漏。

图2 供锭夹持缸活塞密封结构

供锭夹持缸活塞密封结构选用了O形密封圈。工作介质选择不当容易引起O形密封圈的密封间隙变化，压力冲击容易使O形密封圈松动，灰尘和异物侵入系统也容易损坏O形密封圈，并最终都会引起夹持缸泄漏。若密封结构本身失效，引起泄漏也存在多种原因，如不合理的密封圈压缩量，密封沟槽的加工精度差，沟槽尺寸存在偏差，导致密封安装精度差，沟槽表面粗糙，导致密封圈安装易划伤。

结合实际工况分析，本系统选用的工作介质并无不当，系统内也无压力冲击现象，夹持缸安装O形密封圈时能够保证安装精度，待拆卸O形密封圈后，也并没有发现其表面有划伤或断裂等损坏现象。经检查，密封沟槽表面粗糙度达到Ra=0.4μm，满足密封圈安装精度要求。由此，O形密封圈压缩量不合理可能是造成夹持缸泄漏的主要原因。

O形密封圈属于挤压型密封，当工作介质处于没有压力或压力较低情况下，靠预压缩后所产生的回弹力给密封接触面以一定压力达到密封效果，当工作介质压力提高后，在高压作用下，O形密封圈被挤向沟槽的另一侧，使其变形增大，密封接触面加宽，密封接触面处的压力，除了预压缩产生的初始接触压力外，还增加了由介质压力升高产生的接触面压力，这就大大地提高了密封效果。基于上述工况，O形密封圈压缩量是设计选型时的重要参数，一般用压缩量κ表示[1]。

O形密封圈压缩量

O形密封圈压缩率

式中：d0——O形密封圈断面直径；

H——O形密封圈沟槽深度；

C——缸体与活塞之间间隙。

O形密封圈压缩率大小直接影响密封性能和使用寿命，压缩率过小，密封效果不好，压缩率过大，使用寿命缩短。一般资料推荐，在极限工况下，O形密封圈的压缩率最小值不低于11%，最大值不高于30%，作静密封时参考大值，动密封时参考小值。

经过检测验算，供锭夹持缸活塞密封结构选用的O形密封圈压缩率仅为7.5%，低于压缩率最小值。由此，夹持缸O形密封圈压缩率偏低是引起夹持缸泄漏，并导致夹持铸锭松动的故障原因。

O形密封圈沟槽尺寸、公差直接影响O形密封圈压缩率大小。在设计密封圈沟槽时，虽然有标准可遵循，但在具体设计时，沟槽尺寸、公差仍应根据实际工况确定。夹持缸液压回路设计意图明确，就是要在供锭缸快进时，夹持缸保压，夹住铸锭。当夹持缸保压并夹住铸锭时，其处于静止状态，活塞密封结构处的O形密封圈作静密封用，因此，O形密封圈压缩率应按作静密封时选取，参考大值，并匹配确定O形密封圈沟槽尺寸、公差。

3 改进措施

重新设计供锭夹持缸活塞密封结构。考虑夹持缸的保压工况，以选取密封圈压缩率较大值为原则，另外，考虑夹持缸也存在非保压工况，此时活塞密封结构会有往复运动，密封圈压缩率偏大也会对密封圈使用寿命不利。综合以上诸因素，重新选用了O形密封圈，并充分权衡确定密封圈直径和压缩量，以及对O形密封圈沟槽尺寸、公差进行了匹配设计。

在对夹持缸活塞密封结构改进设计基础上，对夹持缸液压回路进行了优化设计。原回路压力升高后，各个阀元件不可避免地会发生内泄，导致回路压力下降，所以，这种回路只适用于短时间保压，若需要长时间保压，保证夹持铸锭稳定可靠，须持续提供油液。采用蓄能器8、单向阀5组成的保压回路如图3所示，蓄能器8内的压力油能补偿夹持缸液压回路各个阀元件的泄漏。

4 结论

图3 改进后的夹持缸回路

本文通过分析某厂液压机供锭夹持缸夹持铸锭松动原因，确定夹持缸活塞密封结构所选用O形密封圈压缩率过小，给出了重新选用O形密封圈，确定密封圈直径、压缩量，以及密封沟槽尺寸、公差等参数的改进方案，并提出在设计液压缸活塞密封结构时，应结合实际工况，对O形密封圈压缩率进行合理取值，同时匹配设计密封沟槽尺寸。

参考文献：

[1] 齐文杰.液压设备故障分析[M].哈尔滨：黑龙江出版社，1986.

[2] 荣廷藻.液压系统故障诊断与排除[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3] 荡振武，计云田.液压传动及其修理[M].北京：机械工业出版社，1990.

[4] 徐 灏.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992.

[5] 卢黎明.O形密封圈压缩量的应用分析 [J].中国设备工程，2003，（4）.

[6]王 勇.O形密封圈在液压机主缸中的使用探讨[J].机床与液压，2012，40（10）：160-161.