熱模鍛壓力機Y型密封圈的失效分析與改進方案

胡延東

（陜西法士特集團有限責任公司，陜西 寶雞722409）

熱模鍛壓力機在汽車、內燃機、航空、五金工具等制造業中，用于批量加工黑色或有色金屬的模鍛和精整鍛件，它成型鍛件精度高，材料利用率高，生產率高，易于實現自動化，是現代鍛造生產不可缺少的高精鍛壓設備。

熱模鍛壓力機一般用一級傳送帶和一級齒輪這兩級傳動方式，其主要組成部分有：電機、飛輪、傳動軸、離合器、制動器、曲軸、平衡缸和滑塊連桿機構等。電動機通過傳送帶將運動傳送到飛輪上，飛輪帶動傳動軸和一級齒輪驅動離合器，離合器一般安裝在曲軸的右側，當離合器結合時，曲軸會隨著離合器同步旋轉，連桿通過曲軸使滑塊沿導軌做上、下往復運動。制動器安裝在曲軸的左側，使得滑塊能夠停在設定的位置上。平衡缸用于平衡滑塊、連桿等運動件的重量。離合器、制動器及平衡缸的可靠性直接影響整個鍛壓線的安全性和穩定性。由于該三個部件內部活塞體積比較大，用于起主要密封作用的大型Y型密封圈一般為非標件，對于使用年代久遠的設備，大型Y型密封圈出現失效的幾率性大大增加。通過對Y型密封圈的密封原理介紹，分析了熱模鍛壓力機（離合器、制動器和平衡缸）三大部件中Y型密封圈的常見失效形式和失效原因，并對部分失效形式提出了相應的改進方案，以便對于日常維修人員對癥下藥，少走彎路。

1　Y型密封圈的密封原理

Y型密封圈是一種典型的唇形密封圈，如圖1所示，適用于工作壓力不大于40 MPa，工作溫度為-30～+80℃的情況下。在工作時依靠其張開的唇邊緊貼于密封副耦合面，并呈線狀接觸，介質無壓力時，靠唇邊的變形產生很小的接觸壓力[1]。在介質壓力作用下產生“峰值”接觸應力，壓力越高應力越大。當耦合件以工件速度相對運動時，在密封唇與滑移耦合面之間形成一層密封膜，從而產生密封作用。密封唇邊磨損后，由于介質壓力的作用而具有一定的自動補償能力。

圖1　Y型密封圈結構圖

由于丁腈橡膠（NBR）具有極佳的耐石油與燃油性能，同時其機械性能、加工性能良好和成本低等因素，在熱模鍛壓力機的大型Y型密封圈中得到了大量使用。丁腈橡膠耐熱性相對居中，一般使用溫度范圍為-40℃～120℃，長期使用溫度可達100℃，120℃可以用40天，邵氏A硬度范圍40°～90°.

2　常見的失效形式與分析

在日常維修中，大型Y型密封圈失效的主要原因有：密封圈變硬或變色、相對運動的密封唇過渡磨損、間隙擠出、密封圈從截面的中心裂開、密封圈根部邊緣被擠出等。

2.1　Y型密封圈變硬或變色

2.1.1溫度對Y型密封圈的影響。

高溫會加速橡膠的老化，特別是在平衡缸的密封中該現象特別明顯，主要是平衡缸內的氣體在被頻繁壓縮和釋放后會產生大量的熱，而缸體的外表面不足以將多余的熱量帶走，從而使得工作溫度升高，導致密封介質老化。工作溫度越高，Y型密封圈的壓縮永久變形就越大。

2.1.2摩擦力的影響。

Y型密封圈在缸體內運動時，摩擦力隨工作壓力的增大而增大。摩擦力的增大，使得Y型密封圈與缸體之間產生大量摩擦熱，大量的摩擦熱，加速了橡膠的老化，發生永久變形，導致Y型密封圈失去密封效果。

2.2　相對運動的密封唇過渡磨損

相對運動的密封唇過渡磨損如圖2所示，主要原因有以下兩個方面。

圖2　相對運動的密封唇過渡磨損

2.2.1運動表面粗糙度過大

該現象主要發生在熱模鍛壓力機的離合器、制動器活塞中，由于離合器、制動器體積比較大，重量導致了缸體和活塞之間發生了摩擦，摩擦使得缸體表面粗糙度變大。

2.2.2工作介質中有雜質。

在設備維修時由于清理得不徹底，外界的固體顆粒在安裝過程中帶入了活塞腔或壓縮空氣管道，帶壓力的工作介質將固體顆粒物帶到了密封唇與缸體的耦合面。

2.3　Y型密封圈被間隙擠出

表現形式如圖3所示。主要是由于密封唇口有缺口和活塞和缸體之間的間隙變大造成的。

圖3　密封圈被間隙擠出

2.3.1密封唇口有一小缺口。

在Y型密封圈實際安裝過程中，由于體積的龐大和存在一定的過盈量，往往需要幾個人配合才能進行安裝。為了使得活塞能都順利進入缸體內，根據周長的大小需要先進行2個或者多個點的定位而不至于Y型密封圈安裝到最后出現周長變長的現象。在安裝時由于缸體磨損后尖銳的棱邊或者安裝的工具在擠壓Y型密封圈進入缸體過程中發生了切邊，造成唇邊有小缺口。

2.3.2活塞和缸體之間的間隙變大。

在實際使用過程中，熱模鍛壓力機的使用年代一般比較久遠，工作環境也比較惡劣甚至對設備的維護保養也不是很到位。活塞和缸體之間的摩擦由于潤滑不到位或使用時間比較長，兩者之間的間隙會慢慢變大。這樣，Y型密封圈的一部分容易被擠入間隙，引起密封件局部應力集中，受工作介質壓力的作用，以致在運動過程中將其切掉，失去密封能力。

2.4　密封圈從截面的中心裂開

如圖4所示，密封圈從截面的中心裂開。這是因為唇形密封圈頸部軸向尺寸太小。這主要與Y型密封圈的開始設計有關系，或者是在后期使用過程中人為增大了介質壓力，導致Y型密封圈的實際頸部軸向尺寸不能滿足使用要求。

圖4　密封圈從截面的中心裂開

2.5　密封圈根部邊緣被擠出

如圖5所示，存在整個圓周上的根部和半個圓周上的根部被擠出兩種情況。

圖5　密封圈根部邊緣被擠出

2.5.1整個圓周上的根部被擠出

這種現象主要出現在離合器的活塞中。在實際工作中，離合器屬于旋轉零件，隨著使用壽命的增加，缸體會被均勻磨損，從而導致活塞和缸體的間隙變大。

2.5.2半個圓周上的根部被擠出

在熱模鍛壓力機中，制動器活塞不隨著曲軸工作而旋轉，只做軸向的往復運動。活塞在重力作用下，會不斷磨損活塞內圈的上端和外圈的下端，導致活塞或缸體出現橢圓現象，活塞內圈的下端和外圈的上端間隙變大，出現Y型密封圈失效現象。

3　改進方案與實驗驗證

3.1　溫度的影響的措施

對于平衡缸由于介質的溫度高導致了Y型密封圈的壽命縮短，筆者曾經試做過用硅膠來代替丁晴橡膠，但效果不明顯，在使用過程中容易出現密封圈從截面的中心裂開的現象，后來通過調整平衡缸安全閥的最大壓力實現了改善。即當平衡缸活塞行程達到最大位移量時將一部分壓縮空氣排出，使得部分熱量被帶走，老化現象得到了明顯改善。

3.2　粗糙度和棱角的影響

在每次維修時對于粗糙度過大的表面可用手工修磨的方式進行維修，盡可能的降低表面粗糙度，減小密封副耦合面的摩擦力，從而減少密封唇的磨損。

所有與Y型密封圈接觸的表面不得有銳邊，全部進行倒鈍，防止在安裝過程中損傷密封圈，進而加速密封失效的可能。

3.3　密封圈尺寸的設計改進

我車間現有FPA-3000T熱模鍛壓力機在日常使用過程中離合器多次出現密封圈從截面的中心裂開的現象，初步判斷為Y型密封圈結構設計不合理所致，離合器使用工況和參數如表1所示。隨后根據現有密封槽的尺寸和使用工況，對其Y型密封圈結構進行了改進。

表1　離合器使用工況和參數

產品設計斷面形狀

1）密封圈的高度根據活塞尺寸取h=20±0.2 mm[2]；由于存在工作壓力，即使密封圈高度比溝槽寬度小1 mm左右，加之行程小、往復運動的速度也不高，是不會出現密封圈在溝槽內竄動的現象。

2）密封圈根部高度原有尺寸為9.5 mm，因多次出現過根部截面的中心裂開的現象，參考HG4-335-66，根部高度選取12.1 mm.

3）頂角B原有角度為30°，考慮缸體和活塞之間的磨損，密封圈的擠出間隙變大，根據參考文獻[2]中的設計優化經驗，加大頂角B=60°.

4）其余尺寸按照原有Y型密封圈進行設計。

經過以上改進，圖6所示密封圈材質選用丁腈橡膠，硬度為60°.按照車間現有生產狀況，每天兩班，每班工作8 h投入生產，離合器按照表一使用工況和參數運行一年，未出現過漏氣或者Y型密封圈損壞現象。

圖6　產品設計斷面形狀

4　結束語

通過對熱模鍛壓力機Y型密封圈的失效形式分析和方案的改進，降低了熱模鍛壓力機離合器、制動器和平衡缸Y型密封圈的維修成本和維修頻率，也給相關人員提供一定的判斷思路和維修經驗。

參考文獻：

[1]曹艷科，王浩先，王 旭，等．大型國產氣動Y型密封圈在機械壓力機上的應用[J]．潤滑與密封，2016，41（5）：139-145．

[2]劉 明，陸 軍，段 棟．Y型密封圈密封原理探討與結構優化設計[J]．特種橡膠制品，2012，33（3）：57-59．