静液压压路机桥干式驻车制动器密封故障的原因分析及其优化措施研究＊

孙威，张寒羽，钟家怡，梁兴华，陈素姣

（柳工柳州传动件有限公司，广西柳州 545007）

0 引言

压路机是一种路面机械，广泛应用于路基建设、平整地面、压实路基等作业，作业时车速缓慢，一般为4 km/h。根据实际需要，一部分压路机已经通过输入动力反拖代替行车制动，但保留了驻车制动系统。随着静液压压路机桥的推广及应用，在驱动桥上配置驻车制动器已经成为施工现场标配。制动器作为关键的功能性结构，其发生故障会影响整机的使用，其失效模式多以制动器漏油、制动力不足为主。国内制造行业的专家与学者们对密封圈进行了大量研究，其中刘文华等［1］通过对进口设备故障进行分析，确认了造成星形圈翻滚的原因是密封圈与杆壁摩擦力大；陈庆等［2］通过科学计算、理论分析，对影响密封圈的泄漏量的介质压力、往复运动速度及介质黏度等因素进行分析，认为“O”形橡胶圈不适宜在重负荷工况或润滑差的情况下使用，因为其易导致密封圈翻滚磨损。赵虹辉［3］通过对派克旧件分析得出造成密封泄漏的原因主要与活塞杆损坏、介质污染、极端工作温度、化学物质侵蚀、工作压力过高等相关。以上研究都对密封圈的泄漏原因进行了科学、有效的分析和计算，并给出“O”形密封圈的特点及导致密封失效的主要原因，同时前人的研究对外部环境的影响也进行了分析与总结，但未包含对干式、无油液介质的制动环境进行模拟分析，本文主要研究压路机桥干式驻车制动密封的选型、计算及试验方法，以解决制动器漏油问题。

1 某静液压压路机驻车制动器结构及工作原理

干式驻车制动器的密封结构如图1所示，活塞与缸孔采用密封设计，活塞的大端采用活塞动密封、活塞的小端采用活塞杆动密封。

图1 干式驻车制动器结构

在停车状态下，活塞因碟形弹簧压紧底部摩擦副，摩擦副通过花键与动力输入齿轮花键连接，利用摩擦副压紧，摩擦力使其保持静止不能转动，实现停车制动。当液压油从入口进入，将活塞向上顶起，摩擦副释放不再受压，随之制动停止，整机根据输入动力启动行驶作业。对于压路机，车速较慢、停车制动器的使用不频繁，整个生命周期（制动次数）有5 000 次左右的制动次数。但是，停车制动器的工作环境处于无油液浸泡的干式环境，与传统的湿式制动器浸泡在齿轮油中的工作环境相比，停车制动器的工作环境更恶劣，更容易出现故障。

2 失效模式分析与计算

2.1 失效模式

经过对旧件的拆检分析，反馈时间段多集中在整机工作300 h 以内，工程机械属于早期的故障反馈。拆检旧件发现制动器的故障失效模式为“O”形圈扭曲变形（如图2所示）。

图2 “O”形圈扭曲变形

2.1.1 “O”形圈扭曲变形

扭曲变形（如图2所示）会导致“O”形圈材料无法精准填充密封沟槽，不能按照设计计算的压缩率、填充率实施密封，导致密封处漏油。

2.1.2 “O”形圈严重磨损

扭曲变形后“O”形圈严重磨损是常见的密封故障反馈形式，因磨损造成材料缺失，使密封圈的压缩率发生改变，导致密封失效。

2.2 失效原因分析

经过调查确认，制动器在出厂测试时进行了密封性能测试，不存在漏油、制动密封失效的情况，说明“O”形圈的初始压缩量能够满足密封要求。其他制动器相关零件也无异常，活塞密封面粗糙度、壳体密封面粗糙度均满足制动器的需求。经分析后，总结失效原因如下。

2.2.1 “O”形圈扭曲

造成“O”形圈扭曲的原因是装配或密封圈使用过程的摩擦力不均匀，包括缸孔及活塞杆的制造间隙不均匀、“O”形圈断面直径不均匀、缸孔或活塞杆圆周粗糙度不一致、活塞杆往复过程跳动等。当局部摩擦力大于“O”形圈橡胶抗扭力时就产生翻转扭曲。

2.2.2 “O”形圈的磨损

硬度不足会导致“O”形圈耐磨性能下降，市场中的整机中，“O”形圈已经工作超过2 000 h，并且当前“O”形圈的硬度已经达到使用要求，因此硬度不足非造成失效的主要原因。此外，橡胶材质、活塞、活塞缸粗糙度等均满足“O”形圈密封标注的要求，非造成失效的主要原因，但工况灰尘较大，可能需要更好的防尘装置。

经过对旧件进行分析排查发现，“O”形圈的材质、尺寸、活塞缸，以及活塞杆的粗糙度、尺寸均符合设计要求，所以针对静液压压路机干式驻车制动器密封特点，需要回顾和优化预拉伸率、预压缩率、压缩率参数设计。

2.3 活塞密封的预拉伸率y计算

其中：d1为“O”形圈内径，d3为“O”形圈槽底直径（活塞），最小预拉伸率等于0。ymax应满足国标［4］建议的最大预拉伸率（见表1）。

表1 国标建议的活塞密封“O”形圈最大预拉伸率

计算得出，故障“O”形圈的预压缩率为2.8%～2.92%，符合国标要求。

2.4 活塞杆密封的预压缩率k的计算

其中：D0为“O”形圈界面直径，d6为沟槽底径（制动壳体），最小预压缩率应等于0，kmax应符合国标建议的最大预压缩率（见表2）。

表2 国标建议的活塞杆密封“O”形圈最大预压缩率

计算得出，故障“O”形圈的预压缩率为2.8%～2.92%，符合国标要求。

2.5 压缩率的计算

其中：D0为密封“O”形圈截面直径，mm；D为密封腔体大径，mm；d为密封腔体小径。

计算得出，故障“O”形圈的压缩率为12.6%～18.2%。符合国标的建议值（见表3）。

表3 国标建议的活塞密封、活塞杆密封构造深度的极限值及对应的压缩率（单位：mm）

一般压缩率与永久变形存在一定关系（如图3所示）。

图3 压缩率与永久变形关系图

压缩率的范围为9%≤12.6%～18.2%≤19.5%，符合国标要求。

通过以上计算可以得出，当前的“O”形圈符合密封标准要求，但是由于静液压压路机驻车制动器“O”形圈服役环境的特殊性，以及压路机制动器工作油压不高，为1～3.5 MPa，因此拉伸率、预压缩率、压缩率的参数仍有优化空间。适宜的取值有利于减少摩擦力，尤其是干式无油侧的摩擦力（远大于有油侧），还可以消除翻转扭曲及磨损失效。通过试验的方法将“O”形圈压缩率调整到一个合适的值，使“O”形圈不再发生扭曲且磨损量最小，保证密封不漏油。

3 制动密封可靠性试验

为解决制动器漏油的问题，经计算分析未能确认压缩率的影响，需要通过可靠性的台架耐久性试验进行验证和确认，通过模拟制动系统活塞运动方式搭建试验台，并通过调整“O”形圈的压缩率，对比在相同试验条件下试验结束时“O”形圈压缩率的变化。

取制动器组件，按图1 设计装配完毕，通过设计相同的“O”形圈与不同尺寸的活塞及制动器壳体调整“O”形圈的压缩率，模拟整机实际解除制动的压力进行周期性加载，达到目标试验次数后拆检确认磨损量，再以不同磨损量进行对比、分析，并且计算压缩率的变化，取磨损最小且未发生漏油为目标试验结果。

3.1 试验装置

试验台搭建包含接油盘、试验用制动器组件、压力泵站、压力表、连接油管，试验件的摆放必须按照装置置于整机上的位置进行，否则会影响试验效果；必须设置接油盘在制动器测试时有油液流出，避免污染环境；试验装置应固定，保证试验的安全性。

3.2 试验压力及次数的选择

由于停车制动器工作频次低，按照压路机的使用情况，每天需要使用4次左右。整机行车速度慢，一般临时停车时，驾驶员不操作制动器，仅在休息时实施停车制动，所以实际所需的试验时间较短。按8 s一个循环计算，预计2 d可完成一次试验。

停车制动器与行车制动系相比，停车制动器置于输入端，一般行车制动器置于终端（轮边减速器附近），所以停车制动器所需的制动力矩更小，试验所需要的液压油压力更小，一般静液压压路机驻车制动器压力取值为1～3.5 MPa。可根据实际液压泵站配置及试验安全性要求，考虑从中选择合适的试验压力开展试验。本次试验的停车制动器压力设置为1.5 MPa。

3.3 试验周期

其中：T为试验周期，h。t1为加压时间，s。t2为保压时间，s；为保证活塞行程的充分性，t2应大于10 s。t3为泄压时间，s；根据试验液压泵站能力，尽量取小值。n为试验次数。

3.4 试验数据分析

试验采用5 种不同初始压缩率的“O”形圈配套制动器（如图4所示），压缩率大于14%的试验次数未能达到目标就出现渗漏，甚至在早期出现扭曲变形的情况。可见，在干式制动器中，压缩率过大会造成不符合工况条件。但是，不能为防止扭曲变形而盲目降低压缩率，从实验过程中得出，当“O”形圈的压缩率小于5%后，试验初期就出现了渗漏现象，制动器失去密封性能。

图4 5次试验前后的压缩率对比

本次试验在同一时间段完成，试验环境相同，为避免试验件拆检与恢复误差，均由同一人操作。经试验结果确认（如图4所示），当“O”形圈压缩率控制在6%～13.5%时，可有效防止“O”形圈翻转扭曲及过度磨损，进而防止压路机桥制动器发生早期故障；同时，补充计算预拉伸率及预压缩率均在标准要求范围内，所以对静液压压路机桥驻车制动器“O”形圈密封的改进是有效的。

3.5 优化方案的延伸

综合“O”形圈改进的方案，同时验证了新结构形式的密封圈（“X”形圈、“D”形圈）的压缩率基本与“O”形圈保持一致（如图5所示），试验结果良好。此外，进一步完善防尘方案，确认最终方案（如图6所示）。

图5 “X”形圈、“D”形圈示意图

图6 制动器改进方案

外部“O”形圈可有效防尘，防止异物进入导致密封圈磨损。支撑导向带起到支撑作用，保证活塞不偏压密封圈，而“X”形或“D”形密封圈可有效防止翻滚、扭曲变形。

4 结语

本文针对某款静液压压路机桥停车制动器的早期漏油问题，结合制动器工作特点，对密封结构进行分析和试验验证。验证表明，导致制动器早期漏油的主要原因是“O”形圈的压缩率选取不当，引起早期的扭曲变形和过度磨损。当压缩率控制在6%～13.5%时，密封性能具有较高的可靠性，可以满足整机的使用需求。此外，停车制动密封选择“O”形圈主要考虑的是“O”形圈模具简单、标准件多、便于选择、成本低。其他形式的密封圈也能在解决早期故障漏油问题上发挥重要作用，如“X”形圈、“D”形圈，其不规则形状可有效防止扭曲变形及翻转，“X”形圈的密封唇口有两道，密封效果更好，“D”形圈的密封接触面积更大，可提升制动器密封的性能。