摘要（yào）：針對大型模鍛壓機液壓缸的特點和技術條件，設計研發了整套（tào）液壓缸密封，解（jiě）決大直徑、大膨脹量和（hé）大擠出間隙的高壓密封問題。根據對（duì）密封件的使用情況和密封失效的形（xíng）式，分析密封失效的原因，指出液（yè）壓缸設計和失效密封存在的問題，提出（chū）相應（yīng）的改善措施和更好的密封解決方案，以提高密封的可靠性和使用（yòng）壽命。

  
       0 、引言

  
      大型模鍛壓機是衡量一個國家（jiā）工業（yè）實力的重要標誌。迄今為（wéi）止，僅有（yǒu）中（zhōng）國、美國、俄羅斯、法國4個國家有類（lèi）似設（shè）備，最大鍛造等級為俄羅斯的7.5萬噸和我國（guó）的8萬噸。大型模鍛壓機主要用於鋁合金、鈦合金、高溫合金、粉末合（hé）金（jīn）等難變形材料進行熱（rè）模鍛和等溫超塑性（xìng）成形。其鍛造特點是可通過大的（de）壓力、長的保壓時間、慢的變形（xíng）速度來改善變形材料的致密度，用細化材料（liào）晶粒（lì）來提高鍛件的綜合性能，提高整個鍛件的變形均勻性，使鍛件滿（mǎn）足設計要（yào）求，節約材料，是航空、航天及其他重要機械生產重要鍛件的（de）關鍵設備。大（dà）型模（mó）鍛液（yè）壓機是隨著航（háng）空工業的需要而逐步發展起來的。目前，我國的大（dà）型（xíng）模鍛（duàn）壓機是應用最先進的預應力鋼絲纏（chán）繞剖分-坎合技術、機器人智能纏繞技術（shù）等設計而成，解決了壓（yā）機承載機架、主工作缸、動梁等關鍵部件的設（shè）計和製造問題（tí），設備總體性能達到了國際領先水平，是我國擁有自主知識產權（quán）的重大裝配項目。大型模鍛壓機具有噸位大、壓製力集中、比壓高等特點。其鍛造比壓可（kě）達到1000～2000MPa。為了實現如此高的（de）壓製比壓，最有（yǒu）效的方法就是提高（gāo）液壓壓力，采用超高壓液壓(油壓（yā）為60～130MPa)，如此高的壓力，必須解決密封的技術難題（tí），其主缸密封的保壓效果和可靠性至關重要，本文將以某（mǒu）大型模鍛壓機為例，結合主液壓缸的結（jié）構特點和（hé）技術參數對其成套密封進行（háng）研究分（fèn）析。

      1 、主（zhǔ）液壓缸的結（jié）構特點和技術參數

   
     主液壓缸特點：缸筒直徑大，壓力（lì）大，衝擊載荷大（dà），偏載大，缸筒膨脹量大，液（yè）壓缸的活塞和缸底（dǐ）均設（shè）計有（yǒu）膨脹（zhàng）環，缸筒部分與缸底分離，結（jié）構如圖1所示。

      
                              圖1 主缸結構及密封溝槽示意圖

      1、2、4-缸底軸向靜密封3、7-膨脹環端麵（miàn）徑向靜密（mì）封5-活塞主密封6、9-導向環（huán）8-導（dǎo）向套靜密封10-活塞杆密封11-防塵圈12-活塞膨脹環13-缸底膨脹環A-腔體
   

      與（yǔ）密封相關的主（zhǔ）液壓缸技術（shù）參數：缸筒內徑為2920mm，工作壓力≤60MPa，工作速度≤0.15m/s，介（jiè）質（zhì）溫度（dù）-20~70℃，扭矩約100mN·m，介質為液壓（yā）油。根（gēn）據缸筒材料、直徑（jìng）、壁厚和壓（yā）力等參數，忽略溫度變化對鋼材熱（rè）膨脹變形的影響，忽略（luè）缸體自重及缸筒和缸底摩擦力等影響（xiǎng）因素，將（jiāng）鋼絲纏繞部分看成同等材（cái）料的（de）實體鋼材，利用有限元軟件可計（jì）算出主缸在60MPa壓力下工作時缸筒的膨脹（zhàng）量在2.81~3.22mm之間，再加上裝配預留的間隙，單側缸壁與活塞及缸底之間的最大間隙可達到2mm。

      2 、主液壓缸密（mì）封的研究

   
      密封件需克（kè）服的技術難點：
 
    （1）過盈量能夠補償缸筒在高壓下的膨脹變形量；
    （2）避免在高（gāo）壓下（xià）被擠入間隙而破壞；
    （3）加工工藝的可行性（xìng）和穩定性；
    （4）可靠的密封性能。
 
     為保證密封的可靠性，應（yīng）以目前較成熟的密封結構為基（jī）礎進行產品設計改進和優化（huà）。

     2.1 主密封
 
    主液壓缸（gāng）工作時，尤其是保壓時，缸體的膨脹量較大，因此活（huó）塞主密封結構的設計綜合了唇形密封和擠壓型密封的特點，唇形密（mì）封過盈補償量大，擠壓（yā）型（xíng）密封則可以（yǐ）提（tí）供足夠強（qiáng）壯的密封本體，有利於承（chéng）受較高的（de）壓（yā）力和側向力。整套（tào）活塞密封均采用高（gāo）強度（dù）和高彈性（xìng）材料，能提供初始的預緊力，並且能夠在工作過程中持續跟隨調整，使（shǐ）用過程中不需要調整密封腔體的尺寸，不需要進行維護。

    主液壓缸的回程是靠回程缸完（wán）成的，活塞杆（gǎn）腔為零壓或低壓狀態（tài），密封（fēng）杆結構設計為具有彈性補償的Y形和O形彈性體組合的型式，如圖2所示，作用是封堵活塞腔泄漏的油液（yè），防止其滴落在（zài）工件上。

     2.2 靜密封

    缸底軸向靜密封（圖1中的1、2、4）與活塞密（mì）封承受同樣的高壓。密封（fēng）件為了起（qǐ）到密封作用，材料需要有較好的（de）彈性，一般比較軟。當高（gāo）壓作用且間隙較大時，就會被擠入間隙（xì）中，造成啃蝕破壞，最終導（dǎo）致密封失效。材料選擇（zé）的（de）局限性是密封設計的一個較大難點，為（wéi）使密（mì）封件克服被擠入間隙造成啃傷，選擇高強度聚氨酯材料，考慮密封（fēng）需補償缸筒膨脹帶來的溝槽尺寸變化，缸底軸（zhóu）向靜密封結構設計為圖3a所示結構。

     膨脹環端麵徑向靜密封（圖1中的（de）3、7）和導向套靜密封結構設計（jì）為圖3b所示結構，內外各有兩道密封唇，具有較好的密封效果和防扭曲作用，端麵的大倒角，可使密封跟部遠離擠出間隙，避免擠出。

     2.3 導向環

   
     主液（yè）壓缸工作時，活塞下端存（cún）在較大偏心載荷，因此在活塞和（hé）缸（gāng）蓋處（chù）設（shè）置多道導向環，導向環（huán）由強度較高的一種織物增強（qiáng）的聚酯樹脂複合材料製（zhì）成（chéng），可以（yǐ）承（chéng）受較高（gāo）的（de）徑向載荷，最大承載能力達（dá）到450N/mm2，具（jù）有非常好的耐（nài）磨（mó）性，並能吸收振動，表麵有微小的凹陷，用於（yú）留存液壓油，對導向環提供潤滑作用。

     3 、密封使用（yòng）情況及分析

     壓機使用前期，主缸運行狀況良好（hǎo），後出現不保壓情況，缸底出現（xiàn）漏油現象。拆缸（gāng）檢查密封件的狀況：
 
     （1）活塞密封和活塞杆密封為動密封，未見明顯的磨（mó）損痕跡，無撕裂、啃傷等破損現象，密封唇過盈量較使用（yòng）前變小；

     （2）導向環局部有輕微磨痕，無明顯磨損和變形；
 
     （3）導向套上的靜密封形狀和外觀完好，有一定的正常（cháng）永久壓縮變形量；
 
     （4）活塞膨脹環和缸底膨脹環端麵的徑向靜密封，在背壓側（cè）有一定（dìng）的擠邊現象，並不嚴重；
 
     （5）缸底軸向靜密封出現焦燒、斷裂、啃傷、擠（jǐ）邊等現象，損壞嚴重，密封已失效。可見，造（zào）成（chéng）壓機主缸運行不良的密封問題是液壓缸底部的軸向（xiàng）靜密封出現嚴重（chóng）損毀，從而造成泄漏與密封失效。

     為了解決問題，分析缸底軸向靜密封失效原因至（zhì）關重要。

     圖4、圖5中的失效密封為缸底軸向靜密封，從左至右的三道密（mì）封分別安裝在圖1中的4、2、1溝槽處。從損壞情況來看，第一道損壞最為嚴重，Y形圈從弧底開（kāi）裂，背壓側跟部啃傷，壓力側有焦燒和熔融現象（xiàng），如圖6和圖7所示，而壓（yā）機（jī）缸底（dǐ）膨脹環表麵有（yǒu）黑（hēi）色附著物和燃燒痕跡，如圖7所示。第（dì）二道密封損壞相（xiàng）對（duì）較輕（qīng），僅有輕微燒蝕和啃傷。第三道密封僅跟部有啃（kěn）傷，而無燒蝕。

     造（zào）成焦燒和熔融的原因為高（gāo）溫（wēn），從液壓缸（gāng）的技術參數和運行狀況看，摩（mó）擦產生的熱量不足以對密（mì）封件造成傷害，結合液壓係統和圖1所示液壓缸結構來（lái）看，液壓缸腔體A處易積存氣體，且無法排除幹淨，聚積的氣體在（zài）高壓壓（yā）縮（suō）狀態（tài）下體積迅速變小，並通過密封間隙和密封（fēng）件向外擴（kuò）散，當氣（qì）體壓縮到極限值時會發生“爆裂”（見圖8），同時釋放大量熱能，即“狄塞爾”效應（yīng）。對於液（yè）壓缸往複運動密封件而言（yán）“狄（dí）塞爾”效（xiào）應經常（cháng）發生在（zài）密封間隙和溝槽接合（hé）的（de）拐角處。此處產生的高（gāo）溫會導致密封件發生燒焦和熔融（róng），同時引起油（yóu）溫升高，導致油中的各種添加劑被破壞，產生遊（yóu）離碳、酸質和膠泥（ní）狀沉（chén）澱物，並造成油液（yè）發黑（hēi），加速了油質的劣（liè）化，同時還會使金屬產生化學腐蝕作用。

      
  
     圖（tú）8 氣體（tǐ）爆炸現象（xiàng）

     “狄塞爾”效應所產生的高溫計算公式如下：

     式中T1 ——氣（qì）體壓縮前絕對溫度（K）；
     T2 ——氣體壓縮後絕對溫度（K）；
     p1 ——氣體壓縮前壓力（MPa）；
     p2 ——氣體壓縮後壓力（MPa）；
     V1 ——氣體壓縮前體積（cm3）；
     V2 ——氣體壓縮後體積（cm3）；
     K——絕熱係（xì）數（空氣絕熱係數，K=1.4）。

     假設空氣在常溫20℃被壓縮至（zhì）60MPa時，不計算熱傳導等影（yǐng）響因素，通過上述公式可計算發生“狄塞爾”效應所產生（shēng）的（de）瞬時溫度可達（dá）到（dào）670.9℃。氣體在高溫（wēn）高壓下爆裂後使密封件發生點蝕，重複發生則（zé）導致密封（fēng）出現熔化、碳化（huà）以（yǐ）至於燒毀。

     密（mì）封跟部啃傷和擠（jǐ）邊是因為（wéi）密（mì）封材料的抗（kàng）擠出性能無法承受當下的擠出間隙，對密封件的燒蝕（shí）導致密封材料性能的下降。此外，缸筒與缸（gāng）底采用螺栓連接，螺栓在高壓下會發生變形，導致工作（zuò）時缸筒在缸底（dǐ）側仍然有較（jiào）大的膨脹，再加上裝配（pèi）預留的間隙和偏心，單側（cè）缸壁與缸底膨脹環之間（jiān）的（de）間隙約0.6mm，單側缸壁與缸底之間（jiān）的的間隙達到1.5mm左右，如此大的間隙，密封件很容（róng）易被擠出從而破損，同時，密封件（jiàn）發生變形，在高壓作用下，Y形圈槽底被（bèi）撕裂。間隙越大，則密封件越容易（yì）被擠出、啃傷，從缸底（dǐ）三道軸（zhóu）向（xiàng）靜密封（fēng）根部
的損壞程度也可以看出，因此，當缸底膨脹環上的第一道靜密封失效（xiào）以後（hòu），第二道和第三道靜密封也會很快失效。

      此外，液壓缸在經過一段時間的使用後，缸筒存在變形的可能，這也加（jiā）劇了缸筒與缸底之（zhī）間的間隙（xì）或者局部（bù）間隙變大的（de）可能。由於這些因素的存在，共同造成了缸底靜密（mì）封的損壞失效。

     4 、失效密封的改進

     密（mì）封件被擠入間隙而破壞（huài）是大間隙高壓密封失效的主要原因之一。防止密封件被擠入間隙是解（jiě）決（jué）問題的關鍵。在分析缸底軸向靜密封的失效（xiào）原因後，決定對密封結構和配置進行改（gǎi）進，改進後的密封結構如圖9所示，密封為（wéi）實體的（de）啞鈴型雙唇結（jié）構，其優點是接觸力更加均勻（yún），不易扭曲、斷裂，過盈量根據缸筒與缸底膨脹環、缸底之間的相對膨脹量做適當的增加，並（bìng）在密封跟部增加（jiā）可隨缸筒膨脹的擋（dǎng）環，工（gōng）作（zuò）時高壓油作（zuò）用在密封件上，使（shǐ）密封件（jiàn）發生變形，通過密封（fēng）件的傳遞，力將作用在擋環上，使（shǐ）其始終緊貼在缸壁上，保證缸筒和缸底之間無間隙，從而有效（xiào）地保護密封件，防止其被擠出。此擋環可用強度較高的塑（sù）料材料或軟（ruǎn）金屬材料製成（chéng）。同（tóng）時可在（zài）膨（péng）脹環上增加一道密封，如圖10所示，以提高密封的可靠性和液壓缸的（de）使用壽命。

     在（zài）液壓（yā）係統和液壓缸的設計中，盡管采取了各（gè）種預防措施，但是（shì）空氣汙染仍然難以完全避免，係統（tǒng）運行過程中會有空氣進入和氣泡產生，因此在運行過程中不斷排除空氣對於係統的正常（cháng）運行非常重要（yào）。

     5 、結束（shù）語

     大型模鍛壓機液壓缸需要解決大直徑、大膨脹量（liàng）、大間隙的高壓密封問題。針對液壓缸的特點和技術條件，設計研發了整套液壓缸密封（fēng）。根據密封件的使用情（qíng）況和密封（fēng）失效的形式，分析密封失效的（de）原因，指出液壓缸設計和失效密封存在的問題，提出改善措施和（hé）更好（hǎo）的密封解決方案，以提高密封的可靠（kào）性和使用壽命，確保壓機安全高效（xiào）運行。