關于擺動油缸低溫泄漏問題的探討

楊 陽，張 超

(安徽博微長安電子有限公司，安徽 六安 237000)

擺動油缸作為系統的執行元件，將液壓能轉化成機械能，齒輪齒條擺動油缸輸出軸可承載較大扭矩[1]，在農業機械、工程機械和冶金機械等行業應用范圍廣泛，并以其結構簡單、運動穩定的優點在工程設計中備受關注。

近年來，隨著加工能力和密封技術的提高，液壓油缸的漏油問題得到了很好的解決，但依然存在跑、冒、滴、漏現象。這些泄漏出來的油液不僅造成了能源損失、環境污染，還嚴重影響了產品的性能和壽命。本文通過對擺動油缸泄漏現象進行分析，提出了修復方案。

1 擺動油缸結構及受力分析

1.1 擺動油缸結構

在某型雷達裝備中，擺動油缸作為天線陣面的翻轉機構的執行元件，完成天線陣面的合攏和展開。擺動油缸的三維剖視圖如圖1所示。擺動油缸中的上下2對單作用油缸的活塞桿分別連接2根齒條，齒條與齒輪組成傳動副，將油缸的直線運動轉化為齒輪的旋轉運動，齒輪與輸出軸相連，通過輸出軸的旋轉運動將動力輸出[2]。

圖1 擺動油缸三維剖視圖

1.2 擺動油缸受力分析

對擺動油缸進行受力分析，并繪制擺動油缸工作壓力與翻轉角度之間的曲線關系如圖2所示。由圖2可以看出，天線陣面由0°翻轉至50°時，油缸工作壓力最大約為11 MPa，由50°運動至130°時，油缸工作壓力逐漸減小到最小，后翻轉至180°時，工作壓力逐漸增大。

圖2 油缸工作壓力與陣面翻轉角度的關系

2 擺動油缸泄漏現象

某型雷達裝備在進行訓練時擺動油缸發生漏油故障，漏油部位如圖3和圖4所示。漏油位置在傳動箱骨架密封處和泄壓口處，噴出霧狀油脂，判斷為齒輪箱潤滑油脂與液壓油的混和物。擺動油缸發生漏油的時間在冬季，溫度為-30～-20 ℃。2次擺動油缸發生漏油故障都是在天線陣面翻轉運動至約130°時發生的。

圖3 漏油部位1

圖4 漏油部位2

3 擺動油缸泄漏原因及分析

根據油缸內部結構可知，漏油部位為2處：1)輸出軸骨架式密封處；2)缸筒與傳動箱靜密封處。這2處密封的作用是將傳動箱與外界隔絕，防止齒輪齒條嚙合副的潤滑脂流出，密封為低壓密封。齒輪傳動箱箱體內部與油缸活塞腔是通過油缸活塞密封隔絕的，活塞密封能夠阻止活塞腔里的壓力油進入到齒輪傳動箱內部[3]。如果活塞處的高壓密封發生泄漏，液壓油從油缸活塞腔進入到傳動箱內，箱體內的壓力隨之升高，一旦超過低壓密封的承受值，便會發生噴射式泄漏。從故障發生后的噴射物質可以看出，噴射出的粘稠物為固態潤滑脂和液壓油的混合物，因此可以推斷，擺動油缸活塞處高壓密封失效是造成漏油故障的原因。本文從低溫適應性、液壓系統問題、油缸使用問題和油缸密封問題等方面進行具體分析。

3.1 低溫適應性

發生故障裝備使用環境為寒區，氣溫接近-30 ℃，因此應分析所選油缸的低溫適應性問題。

所用擺動油缸型號為HTR150-1803C-CK43-C，所選密封形式為Standard TypeⅡ型活塞密封，密封材質為聚氨酯，此型號密封環境適應性為-40～82 ℃，滿足低溫適應性的要求。

3.2 液壓系統問題

如果液壓系統設計不合理，在擺動油缸運動過程中產生超壓現象，則當壓力超過擺動油缸活塞密封的耐壓值時，就會引起密封失效，使壓力油從活塞腔進入到傳動箱，從而發生擺動油缸漏油現象。由于2次擺動油缸發生漏油故障都是在天線陣面翻轉運動至約130°時發生的，根據擺動油缸工作壓力與陣面翻轉角度的關系曲線可知，此時擺動油缸活塞密封處所受的油壓壓力相對較小。如果系統產生超壓現象，會造成擺動油缸端蓋螺栓崩脫或油缸缸蓋拔出。

3.3 油缸使用問題

如果液壓管路系統中混入異物，在運轉過程中會劃傷密封和缸筒內壁，從而導致密封失效，這種情況一定會在密封和缸筒內壁上留下痕跡。拆解故障擺動油缸進行檢測發現，密封唇邊無明顯劃痕，缸筒內壁光滑，所以可以排除由于油路中進入異物從而損傷油缸密封。

3.4 油缸密封問題

相關技術人員對故障油缸進行拆解檢測發現，油缸內壁光滑，無損傷痕跡，油缸內部活塞密封和支承環裝配關系正確，油缸活塞密封無明顯損傷，通過觸摸唇邊感覺邊緣無明顯劃痕。

從故障油缸上拆下的舊密封和采購的新密封分別如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可以看出，從故障油缸上拆下的舊活塞密封和采購的新活塞密封顏色不一致，舊密封顏色為紅色(液壓油長期沁入所致)，新密封為灰白色。通過初步測量和用手觸摸判斷，舊密封和新密封外形尺寸和硬度無明顯區別。

圖5故障油缸拆下的舊密封

圖6采購的新密封

根據油缸廠家的經驗，油缸活塞兩端為不同介質的油缸，為了降低內泄量，防止不同介質相混合，活塞一般采用低泄漏密封設計；而此擺動油缸，活塞一側腔體為空氣(傳動箱)，另一側腔體為壓力油，活塞卻采用非低泄漏的密封結構，這種密封結構內泄量相對較大，同時密封的老化和磨損對其低溫下的密封性能影響也很大，因此這種非低泄漏密封結構用在此擺動油缸上存在一定的不合理性。

4 解決措施及機理分析

通過對擺動油缸密封失效的原因進行分析研究，對原密封結構進行了改進。

4.1 修復方案機理分析

U形密封在許用壓力范圍之內，工作壓力越大，唇邊與耦合面貼得越緊，接觸壓力越高，密封性能越好。當工作壓力接近零時，是依靠密封的安裝彈性變形造成對缸筒內壁的擠壓力來保證其密封性能。

擺動油缸的2次漏油故障都是在低溫工作環境下，擺動油缸運動到載荷交變點附近時發生的，此時擺動油缸工作壓力接近為零，由于低溫的影響，活塞處U形密封材質變硬，彈性降低，再加上密封老化和磨損，使密封性能下降，當載荷越過交變點后工作壓力迅速上升時，U形密封在載荷發生突變的情況下失效，產生漏油故障[4]。

由上述分析可知，要解決油缸低溫下漏油問題，一是要增大U形密封的安裝彈性變形量，增加對缸筒內壁的擠壓力；二是保證在低溫下U形密封能夠保持良好的變形回彈力，能夠使密封唇邊對缸筒內壁保持足夠的擠壓力。

增加安裝變形量是通過增加U形密封唇邊的高度尺寸來實現的，將密封唇邊的高度尺寸由7.3 mm增加到8.25 mm，從而增加了U形密封安裝時的彈性變形的壓縮量。

安裝有O型圈的U形密封是成熟結構，與常規的U形密封在密封材料形變方式上有所不同，常規U形密封是依靠密封唇邊部位的彎曲變形產生回彈力，而這種結構的密封是依靠O型圈的擠壓變形來產生回彈力，通過這種形變方式產生的回彈力大，密封效果好，且材質的老化對密封的彈性影響較小。

4.2 改進后密封結構

為徹底解決低溫環境下的漏油問題，對密封的結構形式做了如下改進：1)增加U形密封唇邊高度尺寸，即通過增大其安裝壓縮變形量的手段來提高密封性能；2)在U形密封的變形預留凹槽處增加1個彈性體(O型圈)，此彈性體為丁腈橡膠材質，在低溫環境下具有良好的彈性。這種U形密封結構為成熟結構，具有高密封性和低泄漏量的特點。改進前、后2種U形密封截面尺寸圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 改進前密封截面

圖8 改進后密封截面

4.3 修復效果

按照上述修復方案對故障擺動油缸進行修復，修復完成后，搭建加載系統在低溫試驗箱中(試驗溫度為-40 ℃)進行加載，油缸運行正常。將修復后的油缸裝備運至寒區連續試驗運行至今，設備工作正常，擺動油缸無漏油現象發生。

5 結語

在寒區使用液壓系統裝備時，應重點考慮各液壓元器件的低溫適應性，對于油缸的密封應特別注意密封結構的合理性、密封材質的低溫性能、密封材質與液壓油的兼容性等方面。

[1] 王積偉，章宏甲，黃誼. 液壓傳動[M]. 北京：機械工業出版社，2006.

[2] 張利平. 液壓控制系統及設計[M]. 北京：化學工業出版社，2006.

[3] 劉延俊. 液壓系統使用與維修[M]. 北京：化學工業出版社，2006.

[4] 李壯云. 液壓元件與系統[M]. 北京：機械工業出版社，1999.