液壓缸泄漏成因分析及改進措施

劉濱 陳寧

摘 要：通過對工程機械液壓缸產生泄漏的多種成因進行了分析，重點闡述了液壓油黏度與滑移面配合間隙的控制機理；分析了液壓缸在使用過程中壓力、速度、溫度等參數對泄漏的影響。改進設計的密封件應用于工程機械液壓缸產品，通過了型式試驗。

關鍵詞：液壓缸泄漏成因；型式試驗；改進措施和經驗

中圖分類號：TD355.3文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.03.001

Abstract： In this paper， the causes of the hydraulic cylinder leakage are analyzed. The control mechanism of the hydraulic oil viscosity and the slip surface is discussed. The influence of the pressure， velocity and temperature on the leakage of the hydraulic cylinder. Improved design of the seal applied to the hydraulic cylinder products， through type test.

Keywords： cylinder leakage analysis； type test； improved methods and experience

0 引言

液壓缸產生泄漏的主要原因有兩大方面，其一是內因，主要包括密封裝置和機械結構的設計是否合理。其二是外因，即液壓缸使用時的外部條件，包括使用的液壓缸工作壓力、油缸運動速度、油液溫度、油液污染、滑移面粗糙度、運動副配合間隙及密封裝置使用時間等因素。

在大多數情況下，造成液壓缸泄漏的原因不完全是某一單方面的因素造成的，包括多種因素。因此，通過分析以上可能造成液壓缸密封裝置產生泄漏的諸多原因，并輔之與相對應的改進措施，可以更好地治理液壓缸的泄漏。文中以唇形密封圈為例，分別從理論和實際應用兩方面進行闡述和說明。

1 液壓缸泄漏成因分析

1.1 密封件材料與液壓油的關系

液壓油種類對密封件材料的負面影響主要是使其體積膨脹，或將橡膠中可溶于某種油液的成分析出。工程機械常用液壓油有礦物型或合成型兩種。適用于礦物型的密封件材料有：丁腈橡膠、氯丁橡膠、聚氨酯橡膠、氟橡膠、聚氟乙烯橡膠等。如果使用合成型液壓油，會使丁腈橡膠的體積膨脹，其膨脹率可達75%～80%和100%～120%，故應選用氟橡膠。所以密封材料與液壓油選擇匹配不當，會使密封件發生膨脹軟化，機械強度降低，導致密封失效。

1.2 液壓油黏度與滑移面配合間隙的影響

液壓油的黏度大小對于保證密封裝置具有良好密封性能也有著不可低估的影響。

根據雷諾潤滑理論可導出以下泄漏量Q與油膜厚度h0的基礎公式：

由以上公式可看出，液壓缸的泄漏值為活塞桿伸出和回復行程中的泄漏值之差。往復運動密封裝置密封副的油膜厚度h0與黏度μ和活塞運動速度υ的1/2次方成正比，即黏度越大時油膜厚度越厚，可知油膜厚度越厚，則泄漏越甚。

液壓油滑移面的配合間隙，是指密封按照溝槽和滑移面在低壓一側的配合間隙。密封件在壓力作用下，其根部因由壓力加載引起的變形而有擠入配合間隙的趨向，一般情況下，間隙越大，影響程度越甚。

但如果油膜厚度過薄時，則存在于密封副之間的油膜極易破裂，會造成密封件唇口與金屬面之間的直接接觸，在運動中產生干摩擦，這往往是產生“爬行”及磨損的先兆。因此可知，保持適當的油膜厚度，對維持密封裝置良好的密封性是必不可少的。

1.3 使用壓力的影響

液壓缸使用壓力影響密封件的變形和在密封副接觸面上產生的接觸應力。密封件在壓力作用下，增大了擠出量和滑動面的磨損，引起摩擦副發熱，促使溫度升高及增大其滑動阻力。通常，工程機械液壓油采用的波形為矩形波或鋸齒波的交變壓力波形。如果采用恒定壓力波形，則會導致密封滑移面的油膜在伸出過程中易于破裂，使密封滑移面的磨損增大。而若采用脈動壓力波形，則峰值壓力的加壓時間很短，變化速度過快，所以密封件不能隨其適應變形，從而使密封的工作部位產生拉應力，由于其處于應力變形的情況，很容易造成密封件破損。

實驗數據如下：桿徑為45 mm的液壓缸，總行程50 m，壓力3 MPa，泄漏量為2.5 mL；壓力11 MPa時，泄漏量為0.1 mL。這與理論計算結果相吻合，說明使用壓力較高時泄漏量反而大大減少。

1.4 使用速度和溫度的影響

由于液壓缸往復運動密封裝置滑移面的油膜厚度與液壓缸活塞往復運動速度的1/2次方成正比，即速度越高，油膜越厚，其結果與油的黏度一樣，高速時容易漏油，極低速時油膜極薄，易于破裂，從而造成密封滑移面的干摩擦，導致磨損過大和誘發“爬行”；另一方面，在高速下運動，由于滑移面潤滑不良，摩擦大，增大了發熱引起溫度升高，泄漏量增加。

各種密封材料的適應溫度范圍差異比較大，但總的要求是高溫下不軟化，不易分解；低溫下不硬化，不脆裂。因此選材時要準確掌握密封件的工作溫度。密封材料一般是溫度越高，強度越低。無論高溫還是低溫，永久變形都會很大。橡膠的硬化除受溫度影響外，還受環境條件和使用時間長短的影響。

使用溫度的變化會使密封材料物性發生變化，高溫時密封副過盈量減少，擠出量增加和表面龜裂、破損；低溫時也會發生同樣的現象。而且由于溫度變化，對液壓油的黏度也帶來影響，即高溫時油的黏度變小，低溫時油的黏度增大。因此直接影響形成密封膜的厚度，從而影響了液壓缸的密封性能。

1.5 液壓缸泄漏與液壓油污染的關系

液壓油的污染主要有以下三種情況造成：殘留污染是液壓元件生產裝配中及運輸過程中混入污染物；次污染是液壓元件在運轉過程中因磨損而產生的粉末污染；外來污染是活塞桿往復運動帶入液壓缸的粉塵污染。液壓缸是工程機械液壓系統中最易受到污染而且又是抗污染能力最差的液壓元件，因此通過防塵圈由活塞桿帶入的外來污染物極易濃縮成“磨料”嵌入密封件唇口或被帶入液壓缸滑動配合面的間隙中，進一步造成摩擦學機理而產生的次生污染物。因此，液壓油污染將是密封裝置失效的前奏。現今國際上對工程機械液壓系統液壓油的污染控制一般采用NAS8-10級。

2 實際應用及改進措施和經驗

2.1 實際應用及型式試驗

我工作過的公司為國內工程機械液壓缸主要供應廠家，年產量達數萬件。如何控制及減少液壓缸泄漏，就成為公司技術部門主要技術攻關項目。攻關重點為密封件材料的改進。通過理論分析和優化油缸密封件結構設計，特別是采用新型橡塑合成密封材料和配方，與生產密封件廠家試制并生產KY型系列軸用和孔用密封圈，進行了油缸型式試驗，液壓系統原理如下圖所示。

油缸型式試驗依據GB/T 15622-2005《液壓缸試驗方法》。型式試驗的液壓缸主要技術參數為：液壓缸缸徑90 mm，桿徑45 mm，行程340 mm，額定工作壓力14 MPa，最高運行速度V1≤154 mm/s（伸出）、V2≤418 mm/s（縮回）。被試油缸行程90 km，22萬次往復，包括連續1 h的90 ℃高溫試驗。

2.2 改進措施和經驗

公司技術攻關項目組依據產品設計、加工生產、出廠試驗以及用戶使用反饋四個主要方面發現的具體問題，對收集的相關數據做了量化處理，并以此為依據，結合相關理論進行技術分析，提出改進措施并實施，使液壓缸泄漏情況得到改善，產品通過了型式試驗。實際應用及改進措施和經驗參數包括：

（1）按H8/f7或H9/f8（根據具體尺寸確定）配合精度來控制導向套與活塞桿配合間隙。

（2）液壓缸的導向套材料可選用球墨鑄鐵，球墨鑄鐵中有球狀石墨，石墨能起潤滑作用，內孔表面粗糙度要求Ra1.6。

（3） 將活塞兩端面進行平面磨加工，保證活塞兩端面與內孔的垂直度要求達標；活塞密封件安裝溝槽直角銳棱部位倒圓角R0.3～0.5。

（4） 采用改性聚甲醛作為活塞支撐環材料替代油尼龍，改善耐磨性能，材料耐高溫性也得到提高。

（5） 活塞桿表面鍍硬鉻，單邊厚度0.04～0.08 mm，表面硬度Hv900～1000，拋光至Ra0.4。實際應用的經驗表明鍍層過厚反而易產生鍍鉻層剝落現象。

（6） 嚴格實行液壓缸筒三級清洗（采用珩磨工藝加工缸筒，殘留磨料微粒需徹底清除）控制污染；出廠試驗采用C級出廠試驗臺進行。

3 結論

文中研討范圍限于中高壓液壓油缸。液壓缸在使用過程中產生的泄漏可能是多方面因素造成的，液壓缸在使用油品相對固定的條件下，滑移面配合間隙在產品設計中是一個重要的參數，對液壓缸的泄漏問題來說是內因，因此需要理論結合實際加以確定。

根據液壓缸泄漏原因分析而采取相應的改進措施和方法，實際應用于裝載機轉向油缸的設計和小批量生產，通過了型式試驗。

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