陶瓷工業生產設備常用液壓密封件的密封機理及其應用(續)

蔡祖光

(湖南湘潭海諾電梯有限公司 湖南 湘潭 411104)

(續上期)

4.1 油壓推車機的推車油缸及其密封

油壓推車機通常是日用陶瓷、電瓷絕緣子和其它特種陶瓷制品隧道窯燒結工序，陶瓷制品進出窯所需的窯爐附屬設備。其使用要求：環境溫度范圍為-300～+400 ℃，系統工作壓力≤6.3 MPa，油缸缸徑為140 mm,活塞桿直徑為90 mm, 最大行程(略大于隧道窯內窯車的長度)通常為1 500～2 000 mm, 最大推車力為90 kN(9 t)，工作頻率約1 h油缸往復運動1次，為確保窯車的安全運行,以免發生“倒窯”(窯車上的匣缽垛坍塌)事故，油缸往復運動的速度很慢，通常≤0.05 m/s。

為了滿足以上要求，某油壓推車機的推車油缸及其密封的結構示意圖如圖9所示。該油缸為臥式油缸，采用厚壁優質碳素低碳無縫鋼管作為缸體4，其兩端通過嵌入缸體4中的半環2及高強度螺栓與后缸蓋1及前缸蓋12連接而成，柱塞9采用優質碳素低碳結構圓鋼及優質碳素低碳厚壁無縫鋼管焊接而成。10和11為O形橡膠密封圈，用作靜密封元件，實現油缸缸體4兩端部與后缸蓋1及前缸蓋12之間的端面密封。7為活塞導向套，通常采用錫青銅等耐磨材料制造，當柱塞9往復運動時，可起到支承和導向的作用。6為Y形活塞(孔用)橡膠密封圈，僅具有單向密封作用，成對使用可實現油缸往復運動時的雙向密封。8為Y形活塞(孔用)橡膠密封圈的支承環，可有效的阻止長行程運動時Y形橡膠密封圈的扭曲翻滾等不良現象，從而提高Y形橡膠密封圈的密封性能。壓蓋15采用耐磨性能好、鑄造性能好及物理機械強度高的鑄鐵材料(HT200)制成，同樣，當柱塞9往復運動時，可起支承和導向的作用(活塞桿)。14為Y形活塞桿(軸用)橡膠密封圈，僅具有單向密封作用； 13為Y形活塞桿(軸用)橡膠密封圈的支承環，同樣可有效的阻止Y形橡膠密封圈的扭曲翻滾等不良現象，從而提高Y形橡膠密封圈的密封性能。16為J形橡膠密封圈，當活塞桿(柱塞9的細桿部分)縮回向內運動時能阻擋泥土、匣缽碎屑、冰雪、沙粒、水滴及塵埃顆粒等污物侵入油缸而污染液壓油，防止損傷活塞桿(柱塞9的細桿部分)、壓蓋15及活塞桿用密封件14，從而延長油缸的使用壽命。

4.2 液壓柱塞泥漿泵吸排漿油缸及其密封

液壓柱塞泥漿泵是日用陶瓷、電瓷絕緣子和其它特種陶瓷制品生產過程中，將陶瓷泥漿壓入壓濾機各濾板之間的濾室壓濾脫水可獲得含水率約20%左右的陶瓷泥餅的泥漿輸送設備；也是陶瓷墻地磚制品生產過程中，將陶瓷泥漿壓入噴霧干燥器脫水干燥獲得含水率5%～7%的近似球狀顆粒的陶瓷粉料的泥漿輸送設備。其使用要求：環境溫度范圍為-300～+400 ℃，系統工作壓力≤6.3 MPa，油缸缸徑為90 mm,活塞桿直徑為32 mm,最大行程為150 mm,油缸往復運動次數為20次/min，油缸往復運動的速度≤0.5 m/s。為滿足此要求，某液壓柱塞泥漿泵吸排泥漿油缸及其密封的結構示意圖如圖10所示，該油缸為立式油缸，采用優質碳素低碳厚壁無縫鋼管作為缸體7，其兩端通過高強度拉桿等螺紋緊固件與后缸蓋1及前缸蓋9連接而成，活塞6采用耐磨性能好、鑄造性能好及物理機械強度高的鑄鐵材料(HT200)制成，活塞桿8由優質碳素低碳結構圓鋼制成，活塞6及活塞桿8采用O形橡膠密封圈5(靜密封元件)進行密封并通過螺紋緊固件聯成一體。2和3為O形橡膠密封圈，用作靜密封元件，實現油缸缸體7端部與后缸蓋1及前缸蓋9之間的端面密封。4為Yx形活塞(孔用)聚氨酯密封圈形，僅具有單向密封作用，成對使用可實現油缸往復運動時的雙向密封。10為Yx形活塞桿(軸用)聚氨酯密封圈，僅具有單向密封作用。考慮到油缸運動頻率較快，因而需采用聚氨酯無骨架防塵密封圈11，當活塞桿8縮回向內運動時，能阻擋泥漿顆粒、冰雪、沙粒、水滴及塵埃顆粒等污物侵入油缸污染液壓油，可防止損傷活塞桿8、前缸蓋9及活塞桿用密封件10，從而延長油缸的使用壽命。

1-后缸蓋 2-半環 3-支承座 4-缸體 5-壓緊螺母 6-Y形橡膠密封圈(孔用) 7-導向套 8,13-支承環 9-柱塞 10,11-O形密封圈 12-前缸蓋 14-Y形橡膠密封圈(軸用) 15-壓蓋 16-J形橡膠密封圈(防塵)

1-后缸蓋 2,3,5-O形密封圈 4-Yx形聚氨酯密封圈(孔用) 6-活塞 7-缸體 8-活塞桿 9-前缸蓋 10-Yx形聚氨酯密封圈(軸用) 11-聚氨酯無骨架防塵密封圈

1-后缸蓋 2,11,14-O形密封圈(靜密封) 3-壓緊螺母 4-U形夾織物橡膠密封圈(孔用) 5-導向套 6,12-U形夾織物橡膠支承環 7-缸體 8-襯套 9-柱塞 10-前缸蓋 13-U形夾織物橡膠密封圈(軸用) 15-O形橡膠密封圈(動密封) 16-壓蓋 17-J形橡膠密封圈(防塵)

4.3 液壓壓濾機的壓緊油缸及其密封

液壓壓濾機通常是日用陶瓷、電瓷絕緣子和其它特種陶瓷制品陶瓷泥漿壓濾脫水操作獲得含水率為20%左右的陶瓷泥餅的關鍵生產設備。其使用要求：環境溫度范圍為-300～+400 ℃，系統工作壓力≤31.5 MPa，油缸缸徑為230 mm,活塞桿直徑為200 mm,行程為630 mm,最大壓緊力為1 308 kN(130.8 t)，工作頻率為40～50 min油缸往復運動1次，油缸往復運動的速度很慢，通常≤0.5 m/s。為滿足此要求，某液壓壓濾機壓緊油缸及其密封的結構示意圖如圖11所示。該油缸為臥式油缸，采用中碳優質碳素結構鑄鋼缸體7，考慮到中碳鑄鋼的鑄造性能不是很好，制作時易產生砂孔、氣孔、縮松及夾砂等缺陷和在31.5 MPa的系統壓力作用下易泄漏等，需在中碳鑄鋼缸體7內采用過盈配合鑲嵌一低碳薄壁無縫鋼管(襯套8)而組成高強度復合油缸體，其兩端通過高強度螺釘與后缸蓋1及前缸蓋10連接而成，柱塞9采用耐磨性能好、鑄造性能好及物理機械強度高的鑄鐵材料(HT200)制成。2和11為O形橡膠密封圈，用作靜密封元件，可實現油缸缸體端部與后缸蓋1及前缸蓋10之間的端面密封。5為活塞導向套，當活塞往復運動時，可起支承導向的作用。4為U形活塞(孔用)夾織物橡膠密封圈，僅具有單向密封作用，成對使用可實現油缸往復運動時的雙向密封。6為U形活塞(孔用)夾織物橡膠密封圈的支承環，可有效的阻止活塞運動時U形夾織物橡膠密封圈的扭曲翻轉等不良現象，從而提高U形夾織物橡膠密封圈的密封性能。壓蓋16采用耐磨性能好、鑄造性能好及物理機械強度高的鑄鐵材料(HT200)制成，同樣，當活塞桿(柱塞9的細桿部分)做往復運動時，可起支承和導向的作用。13為活塞桿(軸用)U形夾織物橡膠密封圈，僅具有單向密封作用； 12為U形活塞桿(軸用)夾織物橡膠密封圈的支承環，可有效的阻止U形夾織物橡膠密封圈的扭曲翻滾等不良現象，從而提高U形夾織物橡膠密封圈的密封性能。由于系統壓力高達31.5 MPa，壓蓋16除采用U形活塞桿(軸用)夾織物橡膠密封圈12作為主密封(動密封)外，還采用O形橡膠密封圈15作為輔助密封(動密封)，此外還采用O形橡膠密封圈14作為靜密封元件，可確保油缸柱塞9前進擠壓頂緊各濾板的生產過程中，油缸的泄漏盡可能小，從而獲得含水率較低的陶瓷泥餅。17為J形橡膠密封圈，當活塞桿(柱塞9的細桿部分)縮回向內運動時能阻擋泥漿顆粒、泥餅碎屑、冰雪、沙粒、水滴及塵埃顆粒等污物侵入油缸而污染液壓油，防止損傷活塞桿(柱塞9的細桿部分)、壓蓋16及活塞桿用密封件12及15，從而延長油缸的使用壽命。

4.4 全液壓自動壓磚機的壓磚油缸及其密封

1-充液閥 2-高壓鋼管 3-內缸蓋 4-缸體(上橫梁) 5-缸套 6-柱塞 7-前缸蓋 8-集油盤 9-活動橫梁(安裝上模具)

全液壓自動壓磚機是陶瓷墻地磚制品干壓成形的關鍵生產設備。它在可編程序控制器(PLC)的自動控制下，一方面，通過液壓控制閥、增壓缸及壓制管路等對壓磚油缸上腔輸入不同壓力等級的液壓油，確保每個工作循環對墻地磚坯體實現二次(低壓、高壓)加壓或三次(低壓、高壓及超高壓)加壓等操作，從而獲得高質量的墻地磚產品；另一方面，又通過低速大扭矩的液壓馬達直接驅動曲拐機構帶動陶瓷粉料車實現往復運動，并在下模芯頂出油缸和墩料油缸的共同作用下，完成磚坯的脫模、推出機外及陶瓷粉料填入模腔等；從而獲得致密度高、機械強度好、表面光潔、外形尺寸均勻一致的高質量的墻地磚坯體。某全液壓自動壓磚機的使用要求：環境溫度范圍為-300～+400 ℃，系統工作壓力≤18 MPa，壓磚油缸缸徑為670 mm,活塞桿直徑為630 mm,行程為400 mm, 增壓油缸的最大輸出壓力為42.6 MPa, 最大壓磚力為15 000 kN(1 500 t)，工作頻率小于20次/min，油缸往復運動的速度慢，通常≤0.5 m/s。為滿足此要求，某全液壓自動壓磚機的壓磚油缸及其密封的結構示意圖如圖12所示。該油缸為立式油缸，采用厚壁中碳鑄鋼缸體4(俗稱上橫梁)，考慮到中碳鑄鋼的鑄造性能不是很好，制作時易產生砂眼、氣孔、縮松及夾砂等缺陷和在42.6 MPa的超高壓油壓作用下易泄漏等，因此，需在中碳鑄鋼缸體7內采用間隙較小的間隙配合鑲嵌一中碳鍛造厚壁鋼套(缸套5)而組成高強度復合油缸體，而缸套5的上端面又通過高強度螺釘與中碳鋼鍛造內缸蓋3連成一體，下端面通過高強度螺釘與前缸蓋7連成一體。柱塞6采用中碳鋼鍛造后經金屬切削加工及精密磨削后制成，2為高壓鋼管，實現對壓磚機油缸上腔的高壓(18 MPa)及超高壓(42.6 MPa)的加壓過程，以利于獲得高質量的墻地磚坯體。

圖12的密封部位的局部結構剖面放大示意圖如圖13所示。10為孔用格萊圈(填充聚四氟乙烯密封環和O形橡膠密封圈的疊加組合使用)，用于高壓鋼管 2和內缸蓋3之間的圓柱面密封； 11為孔用格萊圈，用于內缸蓋3和內缸套5之間圓柱面密封(上端面)，16為孔用格萊圈，用于前缸蓋7和內缸套5之間圓柱面密封(下端面)，10、11和16都為超高壓(42.6 MPa)靜密封元件，考慮到裝配時，與O形橡膠密封圈相比，格萊圈中的填充聚四氟乙烯塑料環的剛性較好，不易損傷，如果單獨采用O形橡膠密封圈，裝配時易損傷而影響其密封性能。15為O形橡膠密封圈，也屬于靜密封元件，用來密封內缸套3、前缸蓋7與缸體4之間的泄漏余油，有利于泄漏余油的收集備用，防止泄漏。12為活塞用特康導向環(Bust+Shamban,寶色霞板密封應用有限公司產品)，特康(材料為T47)導向環通常是采用青銅粉、石墨、玻璃纖維等增強的填充聚四氟乙烯耐磨材料制造的，此特康導向環可應用在低摩擦及無爬行的工況下使用，并具有極強的耐磨性能、極好的耐熱性能和抗化學作用，其應用范圍為：往復運動速度高達15 m/s,工作溫度為-60～+200 ℃,動態抗壓強度(徑向負載，60 ℃)為15 N/mm2(即15 MPa)。14為活塞用律特士(材料為C380)耐磨環(Bust+Shamban,寶色霞板密封應用有限公司產品)，律特士耐磨環是由特殊的網狀塑料、特殊的熱固性樹脂和自潤滑添加劑組成的纖維復合材料，具有良好的吸振性能、極好的耐磨性能和良好的摩擦特性，其應用范圍為：往復運動速度高達1 m/s,工作溫度為-50～+130 ℃,動態抗壓強度(徑向負載，600 C)為90 N/mm2(即90 MPa)。當活塞往復運動時，活塞用導向環和活塞用耐磨環可起支承導向的作用，避免柱塞6上部和缸套5內壁之間的金屬零件直接接觸以及補償柱塞6上部和缸套5內壁之間的間隙。13為孔用(活塞)格萊圈，具有雙向密封作用。17為活塞桿用特康(材料為T47)導向環(Bust+Shamban,寶色霞板密封應用有限公司產品)，其工作性能及應用范圍等同于活塞用特康導向環。18為活塞桿用律特士(材料為C380)耐磨環(Bust+Shamban,寶色霞板密封應用有限公司產品)，其工作性能及應用范圍等同于活塞用律特士耐磨環。當活塞桿往復運動時，活塞桿用導向環和活塞桿用耐磨環可起支承導向的作用，可避免柱塞6下部和前7內壁之間的金屬零件直接接觸以及補償柱塞6下部和前缸蓋7內壁之間的間隙。19為軸用(活塞桿)斯特封，僅具有單向密封作用。20為特康組合防塵圈(Bust+Shamban,寶色霞板公司產品)，由特康(T47)材質的異形密封環及O形橡膠密封圈迭加而成的組合防塵圈，當活塞桿(柱塞6的細桿部分)縮回向內運動時能阻擋陶瓷粉料、泥土、冰雪、沙粒、水滴及塵埃顆粒等污物侵入油缸污染液壓油，防止損傷活塞桿(柱塞6的細桿部分)、前缸蓋7及活塞桿用密封件17、18和19，從而延長油缸的使用壽命。

10，11，16-格萊圈(孔密封，靜密封) 12-導向環(孔用) 13-格萊圈(孔密封，動密封) 14-耐磨環(孔用) 15-O形橡膠密封圈(靜密封) 17-導向環(軸用) 18-耐磨環(軸用) 19-斯特封(軸密封，動密封) 20-特康防塵圈(Bust+Shamban,寶色霞板密封應用有限公司產品)

圖14 導向環、耐磨環的結構示意圖

事實上，活塞用導向環和活塞用耐磨環以及活塞桿用導向環和活塞桿用耐磨環都是一個具有切口的環狀物(如圖14所示)，切口有利于液壓油流入密封表面，有利于減少液壓密封件的摩擦和磨損。因導向環和耐磨環供貨時通常為成卷的帶狀物，所以安裝時需現場切割，裝配時在其徑向方向的切口之間最好相差120 ℃以上。其切口之間的間隙Z和展開長度L的計算公式如表1及表2所示。

表1 特康導向環(材料為T47)

注：B、C和W分別表示缸孔(活塞)直徑、活塞桿直徑及導向環的厚度。

表2 律特士耐磨環(材料為C380)

注：B、C和W分別表示缸孔(活塞)直徑、活塞桿直徑及耐磨環的厚度。

特康導向環(材料為T47)和律特士耐磨環(材料為C380)的寬度T可由下式確定：

式中:T——導向環或耐磨環的計算寬度，mm;

F——活塞或活塞桿的最大徑向負載，N;

S——安全系數，常選取S=2;

d——活塞或活塞桿的直徑，mm;

P——徑向動態抗壓強度(常取60 ℃的值作為計算依據)，N/mm2。

5 結語

生產實踐經驗表明，液壓油缸能否正常可靠的工作，其關鍵取決于液壓密封系統的選用，同一液壓密封系統對于不同的設備，其使用效果是不同的。所謂液壓密封系統就是通過兩個或兩個以上液壓密封件的組合使用并達到所要求的密封效果。一個良好的液壓密封系統應具有低摩擦、低磨損、“零”泄漏、耐高溫、耐高壓、能抵抗側向載荷的作用。為此，液壓油缸密封系統的選取通常必須考慮以下因素的影響：

1)液壓系統的工作壓力，液壓密封件應在高壓、低壓下均能保持良好的密封性能。

2)液壓設備的工作環境狀況，如工作場地是否潮濕、是否粉塵飛揚以及室內或室外及其環境溫度的高低等。

3)液壓油缸的行程、往復運動速度、工作頻率及其液壓油的工作溫度。

4)工作時間和靜止時間的長短。

5)液壓油缸的安裝固定方式，如立式或臥式安裝固定。

6)液壓密封件的表面質量(表面粗糙度、尺寸精度及其形狀位置精度)。

7)密封表面的加工質量(表面粗糙度、尺寸精度及其形狀位置精度)。

8)用于制作液壓密封件的密封材料的物理機械強度等特性。

9)液壓密封介質的特性及其與液壓密封件的相容性。

10)液壓密封件應具有足夠的彈性、尺寸穩定性以及補償油缸缸徑的變化。

11)即使液壓密封件在高壓、大間隙的情況下被擠入密封間隙，造成表面擦傷、劃傷及磨損時，也不會讓金屬顆粒等污染物進入液壓傳動系統。

12)能抵抗側向載荷的作用。

13)液壓密封件及其密封溝槽應結構簡單，易于設計制造，并且價格低廉。

總之，在生產實踐中，實現液壓密封系統的零泄漏是非常困難的，其實液壓密封系統的泄漏，有利于液壓密封件的潤滑和減少液壓密封件的摩擦和磨損等，從而提高其使用壽命，降低生產成本。但我們必須對液壓密封系統的泄漏加以控制，通過選用適宜結構形式、適宜材質的液壓密封件及其適宜的組合搭配使用，可以使液壓密封系統的泄漏控制在一定的范圍內，然后通過余油回收裝置(如圖13所示)，利用微細油管、管接頭等管路系統將前缸蓋7斯特封19(油缸最內側處)的泄漏余油、前缸蓋7與缸套5之間的泄漏余油以及內缸蓋3與缸套5之間的泄漏余油收集過濾后再流回油箱(圖中未畫出)，重新進入液壓傳動系統。只有這樣，才能實現液壓密封系統的“零”泄漏，有利于文明生產和促進陶瓷工業的可持續發展。