液压支架蕾形密封圈接触应力对密封性的影响

张丽英，任晓霞，张子英，张盼盼，吴凤彪

(山西能源学院 机电工程系,太原 030600)

液压支架是煤矿井下综采工作面的重要支护设备，其支护强度高、适应性强、组合灵活、工作稳定可靠，因此在我国各大煤矿应用广泛。作为井下液压支护设备，其立柱和千斤顶的密封性决定液压支架的整体稳定性和安全性，保证和提高缸体的密封性是液压支架设计开发的核心。但是，一方面，综采工作面环境工况恶劣，存在大量粉尘和液体腐蚀性介质；另一方面，工作面顶板存在周期性来压，缸体密封需频繁承受高压和冲击作用。上述情况将造成缸体密封损坏，从而引起缸体内乳化液的内泄或外泄。当缸体发生泄漏时，液压支架对顶板的有效支撑力下降，甚至引发顶板安全事故，另外，外泄的乳化液对工作面环境造成污染，也对井下工作人员的健康造成危害[1-3]。因此，改善液压支架的密封性，有效避免由漏液导致的生产事故，对于提高煤炭生产效率、加强安全生产具有重大意义。

1 蕾形密封圈结构与密封机理

常见密封形式分为动密封和静密封，液压支架立柱属于往复式油缸，其活塞杆的密封属于往复式动密封。往复式动密封的工作原理：当活塞杆伸出时，密封接触位置将大部分的流体介质从活塞杆表面截流和刮除，但在活塞杆表面会存留厚度仅为微米级的液体薄膜，起到表面润滑和密封间隔的作用。但当密封出现损伤或老化时，接触位置的截流和刮除效果将变差，则活塞杆表面存留的液体介质增多，形成立柱“挂液”(也称“挂汗”)。

煤矿液压支架的活塞杆动密封主要采用蕾形密封圈，蕾形密封圈由常见的Y形唇形密封圈改进而来，如图1所示，主要由顶部的丁腈橡胶圈和底部的浸胶织物压制而成，浸胶织物一般选用受压变形小、耐磨性好、价格较低的聚氨酯。另外，为防止柔性密封被挤入安装缝隙，从而切伤密封体，一般在密封圈尾部压制或单独安装强度较高的聚甲醛材质的挡圈。蕾形密封圈的密封机理如下：当被密封流体介质的压力为零时，在密封的初始安装压缩量作用下，密封圈的密封唇就可与活塞杆紧密贴合，达到密封效果；当流体介质的压力增大时，在压力作用下丁腈橡胶发生弹性变形，并对密封唇形成压力，将其推向活塞杆表面，增大了密封唇与活塞杆的接触应力，介质压力越大，接触应力越大，密封效果越好[4-5]。

2 密封泄漏量计算及影响规律

为提高蕾形密封圈的密封性，需对其压力介质的泄漏量及影响规律进行研究。针对液压缸的往复运动特点，其泄漏量包括一个伸缩周期内的总量，具体如下。

2.1 活塞杆向外伸出工况

活塞杆向外伸出过程中，多数流体介质被密封圈截流和刮除，外伸活塞杆表面仅有很薄的一层流体，该部分流体的量即是向外的泄漏量。

由文献[1]可知，对于往复式动密封，在密封界面上存在一维雷诺方程：

(1)

式中，u为活塞杆伸出速度；h(x)为沿x方向密封与活塞杆之间的薄膜高度；p(x)为沿x方向的接触应力分布；μ为液体粘度；

对式(1)进行积分可得：

(2)

式中，C为常数。

图2 密封与活塞杆之间的接触应力分布曲线

C=6uh*

(3)

将式(3)代入式(2)可得：

(4)

对式(4)求导可得：

(5)

(6)

(7)

将式(7)代入式(4)可得：

(8)

由式(8)可知，A点的薄膜厚度是接触压力最大点膜厚的1.5倍。分析可知，活塞杆表面的液体运动速度与活塞杆同为u，而接触压力最大位置对应的与密封接触位置的液体运动速度为零，且中间按线性变化；另外，离开密封位置后，在活塞杆上残留液体均按速度u运动。由此可知，活塞杆上最后残留的液体厚度h0为接触压力最大位置的一半，即：

(9)

2.2 活塞杆向内收回工况

(10)

2.3 泄漏总量及规律分析

一个往复运动周期内，液体的泄漏量V漏计算公式如下：

(11)

式中，d为油缸杆直径；L为油缸伸缩行程。

由式(11)可知，从密封圈角度，若要减小泄漏量V漏，需要提高主唇口内侧的接触压力梯度(压力曲线陡峭)，减小主唇口外侧的接触压力梯度(压力曲线平缓)。

3 密封性提高措施

通过以上研究可知，密封圈与活塞杆的接触应力分布规律对其密封性影响较大，为提高蕾形密封圈的密封性，应从以下角度进行优化：

第一，合理选择主唇口的前、后导油角。如图3所示，前、后导油角(α和β)对主唇口区域的接触应力影响较大，相关试验表明，随着前导油角α增大，主唇口内侧的接触应力梯度逐渐减小，密封性变差；而随着后导油角β增大，主唇口外侧的接触应力梯度逐渐增大，泄漏量增加，密封性变差。因此，从密封性角度来讲，希望前、后导油角尽可能小。但另一方面，导油角减小时，密封唇口与活塞杆的摩擦接触面积增大，密封磨损加剧，寿命缩短。所以，应综合考虑蕾形密封圈的使用寿命和密封性，选择合适的前、后导油角，前导油角一般取50°±10°，后导油角一般取25°±10°.

图3 密封圈前、后导油角

第二，增加副唇口设计。一方面，在密封界面上形成除主唇口区域外的第二峰值压力区，使单个密封圈获得双重密封效果；另一方面，进一步减小了密封圈与活塞杆的接触面积，延长了密封使用寿命。

第三，合理选择密封的径向预压缩量。径向预压缩量过大，则接触应力过大，磨损加剧，密封寿命缩短；径向预压缩量过小，则唇口内侧的压力梯度减小，密封性变差。一般取径向预压缩量为12%±3%.

4 结论与讨论

(1)煤矿液压支架的动密封主要采用蕾形密封圈，其密封原理是利用流体压力介质使橡胶发生弹性变形，并使橡胶唇口紧贴活塞杆表面，产生密封效果；

(2)理论计算可知，活塞杆伸出时，主唇口内侧的压力梯度越大，则缸体泄漏量越小。活塞杆收回时，主唇口外侧的压力梯度越小，则介质回收率越高，缸体泄漏量越小；

(3)为提高蕾形密封圈的密封性，可分别从导油角和径向预压缩量的大小选择、副唇口设计等方面进行优化。