芻議煤礦用液壓油缸的創新設計

郭葆菁

（山西省同煤集團公司煤峪口礦機電科，山西 大同037041）

0 引言

液壓油缸在煤礦中使用比較廣泛，并已漸漸成為煤礦業的基礎性設備。但是由于液壓油缸系統本身的元件以及油液都是在密封的殼體以及管道中，所以不能直接從外部進行觀察和排除故障，故一旦發生故障就很不容易進行檢查并作出判斷，這在一定程度上給煤礦的安全生產帶來了困難。另外，從煤礦用液壓油缸對密封性的要求來看，在液壓油缸的設計中經常會出現一些問題，例如沒有根據煤礦的實際情況編制相應的液壓油缸負載圖，沒有根據煤礦工作壓力進行設計等。特別是對于液壓油缸的密實性，沒有嚴格根據要求進行設計，進而導致液壓油缸在工作時經常會出現密實性不良的問題，這對煤礦的安全作業十分不利。

1 液壓油缸設計中出現的問題和需注意事項

根據調查，在煤礦中使用的液壓油缸有很大一部分都會出現密實性不良的問題，這可能是由于液壓油缸密封選型不當造成的。因此，必須盡可能保證油缸的圖紙是按照合理的工程狀況設計的，然后在設計中嚴格遵守液壓油缸密封性設計的原則，嚴格按照具體的步驟進行密封性設計。如果液壓油缸的端蓋處密封圈壓得太緊或太松，應及時調整密封圈使之有適當的松緊度，從而保證活塞桿能用手來回平穩地拉動而無泄漏。

在煤礦用液壓油缸的設計中經常會遇到缸內有空氣侵入的問題，而對此一些設計人員并沒有放在心上，這就會使設計出來的液壓油缸出現問題。因此，如果有空氣侵入油缸內，在設計中就必須增設排氣裝置或使液壓缸以最大行程快速運動，從而強行排出空氣。

必須認真考慮液壓油缸行程終點處的制動問題和油缸本身的排氣問題。液壓油缸內如果沒有相應的緩沖裝置以及排氣裝置，那么在設計時就要采取相應措施來彌補這些不足，但并不是全部的液壓油缸都需要按照這樣的方法進行相應的設計，而應根據具體情況而定。

在液壓油缸的設計中，應盡最大可能保證設計出來的產品結構簡單、緊湊，并且每個零件都具有足夠的強度、剛度和耐久性，應盡量保證油缸的活塞桿在受拉時能承受最大負載或在受壓狀態下具有較好的縱向穩定性。必須盡量避免液壓油缸的側面受到載荷，以消除活塞、活塞桿以及油缸導軌之間的偏斜，從而盡可能使加工裝配和維修變得方便。

在設計液壓油缸時，定位件須配置在活塞桿端，只能在一端定位，這在一定程度上有助于延長液壓油缸的工作壽命。同時，必須保證液壓油缸輸入力和活塞有用面積及其單方的壓差成正比。液壓油缸由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置等構成，對于密封裝置的設計，必須要保證密封表面的粗糙度適當，且需合理設計與加工密封溝槽，并選擇質量優良的密封圈正確裝配，在此基礎之上，還要盡可能減少沖擊與振動。

2 煤礦用液壓油缸對密封性的要求

煤礦對液壓油缸等設備的安全運行要求很高，因為設備如果不能安全運行就會在很大程度上帶來安全隱患，甚至會導致十分嚴重的后果。因此，對作為煤礦基礎性設備的液壓油缸的設計也就有了更高的要求，特別是對于液壓油缸的密實性，要求則更為嚴格。在設計中，必須保證液壓油缸在100℃、28 MPa的工作環境下具有良好的密實性，并且還要保證液壓油缸的密實性不會隨著溫度與壓力的增加而降低。同時，在設計中還要盡可能保證液壓油缸所使用的密封材料有較強的耐腐蝕性與耐磨性。最后，在設計中必須保證液壓油缸的密封裝置與運動構件之間的摩擦盡可能小，這就要求最大程度地保證穩定且較小的摩擦系數。

3 影響密封件使用性能及壽命的因素

在進行液壓油缸密實性設計之前，必須充分了解影響密封件使用性能及壽命的因素。一般情況下，這些因素包括：（1）液壓油缸表面粗糙度?；钊突钊麠U表面粗糙度一般為0.8；密封安裝槽的粗糙度側面為1.6，底面為0.3。（2）壓力。液壓缸油壓使密封件變形，從而達到密封效果，但這也增加了滑動面的磨損，引起發熱，促使系統溫升，并進一步增大了滑動阻力，所以在實際設計中必須根據不同的工作壓力環境設計合適的液壓油缸。（3）溫度。因為油液的溫度會在很大程度上影響油液的黏度與密封性能，因此一般情況下煤礦用液壓油缸的工作溫度應穩定在50～85℃。（4）摩擦阻力。密封件與運動件的摩擦阻力是變化的，一般情況下啟動時摩擦阻力最大；當達到適當速度時，摩擦副間形成了連續油膜，摩擦阻力下降；摩擦副運動速度過高時，油膜變厚，摩擦阻力反增大。在實際設計中，只有充分了解這些因素，才能利用一些資源來提高液壓油缸的密封性。

4 煤礦用液壓油缸不同部位密實性設計

4.1 油缸活塞桿的密封設計

液壓油缸的活塞桿集密封與摩擦特性于一身，比較理想的活塞桿密封并不存在，因此在液壓油缸活塞桿密封設計時選用比較合適的密封材料，采用多元件組合的密封系統能很好地解決密封問題。為了長時間地達到良好的密封效果，在設計時應選用耐磨和抗變形的密封材料，它們即使在較高的壓力和溫度下也不會出現質量問題。目前，人們大多使用聚氨酯材料和充填型PTFE材料，聚氨酯非常耐磨和耐變形，而PTFE在高溫條件下的化學耐受力很強，所以也可優先選用。為了保證活塞桿的密實性，在設計時要注意活塞桿與活塞的同軸度以及密封溝槽的加工尺寸。其次，在安裝時要避免液壓油缸軸心線與負載運動方向的偏離，必要時使用聯軸器、關節軸承或桿端浮動法蘭可起到一定的補償作用。此外，活塞桿在導向套中運動需要一定量的油膜來起到潤滑作用，這就會造成油液積成滴進而形成外漏，因此防塵圈內唇邊要有防刮油作用，從而把油膜阻擋在防塵圈和主密封間，使油膜既能潤滑又不發生外泄?？偠灾?，在設計中采用多元件組合的密封系統，可以達到液壓活塞桿所需的密封條件，但使用多元件密封系統的難點是要把各個密封元件相互調整好，因此在設計中必須要組合好各個密封元件，保證油缸活塞桿的密實性。

4.2 油缸活塞的密封設計

活塞和活塞密封件是液壓油缸的重要組成部分，液壓油缸活塞密封件可以有效防止液體從缸頭流出，因此加強煤礦用液壓油缸活塞密封設計就顯得非常重要。一般情況下，活塞的密封構成主要包括耐磨環和組合密封環2個部分，其中耐磨環能抑制機械振動，有極好的承壓能力和耐磨性，因此在設計中必須精確計算耐磨環的寬度。計算公式如下：

式中，F為液壓油缸活塞的最大徑向負載（N）；β為安全系數；D為活塞或活塞桿直徑（mm）；Pr為最大允許徑向載荷（MPa）。

只有精確地計算出耐磨環的寬度，才能進一步保證活塞的密實性。在對液壓油缸的組合密封環進行設計時，要根據液壓油缸密封性的要求，選擇經濟型的密封環，因此可選擇由特康密封圈和O型圈組合的密封環，這種組合的摩擦阻力非常低，在實際工作中不存在爬行或黏滯現象，并且根據相關試驗，它能在壓力為80 MPa的環境下保持良好的密封性能。最后，在設計中要注意活塞與液壓油缸缸筒之間的間隙，它在很大程度上決定了活塞的密封性能。因此，要根據液壓油缸缸筒厚度、系統壓力與周圍環境來設計活塞與液壓油缸缸筒之間的間隙，進而保證活塞的密封性能。

4.3 油缸靜密封設計

靜密封在液壓油缸中所起的作用很大，它是防止液壓油缸內油液外泄的又一道防線，因此必須加強對靜密封的設計。一般情況下采用O形圈密封，材料選用丁腈橡膠，同時必須為O形圈加上擋圈，這樣就可以有效防止O形圈被擠到配合間隙中而損壞。

5 結語

煤礦用液壓油缸有效的密實性不僅可保證煤礦作業的正常進行，還能在很大程度上避免很多安全隱患。因此，在液壓油缸設計階段就需要充分考慮各種因素，對液壓油缸不同的部位采取不同的密封方式進行設計，從而最大程度地保證液壓油缸的密實性。

［1］楊凌峰，李丹.液壓油缸活塞的改進設計［J］.礦業快報，2009（18）

［2］劉賢波，宋峰.液壓油缸結構的改進［J］.煤礦機械，2010，29（11）