浮動式靜壓支撐振動液壓缸

王愛玲 張澤棟 楊榮

(北京金自天成液壓技術有限責任公司 北京 100071)

1 前言

結晶器是連鑄機的核心設備之一，它使鑄件成形并迅速凝固結晶。結晶振動裝置與其他機構共同作用，將結晶器內的鑄件拉出。振動液壓缸通過振動頻率，振動幅度，振動波形的調整對結晶器作用提高鑄坯表面質量減少板批鑄造缺陷。振動液壓缸作用關鍵，拆裝困難，生產現場對其可靠性，性能參數及使用壽命都有較高期待。

由于振動液壓缸在某一行程下長期往返振動加之連鑄機工況惡劣，拉速提高，對振動液壓缸的結構形式及密封材料都有較高要求。目前在線使用中的結晶器振動液壓缸普遍存在壽命短，精度差，響應慢等不足[1,2]。

2 結構優化方案

針對現存的一些問題，本文在結構及密封形式上提出了幾點較為新穎的解決方案。

2.1 靜壓支撐結構形式

振動缸普遍采用NBR+PTFE組合密封或間隙密封。NBR+PTFE組合密封存在接觸摩擦，且摩擦隨壓力增高而增大，在特定行程下的長期往復振動的特殊工況下，密封件和活塞桿摩擦面的磨損失效成為整缸的壽命瓶頸。間隙密封摩擦有所改善，但密封材料和活塞桿同樣存在著嚴重的磨損，而且大部分情況是偏磨。摩擦的存在同時限制了油缸的穩態和動態性能[3,4]。

密封材料的磨損是震動液壓缸壽命的瓶頸。為解決這一問題，采用了間隙密封的形式。通過嚴格控制活塞桿和相關密封件之間的間隙，利用極小間隙來達到密封效果。間隙密封允許一定的泄漏量，但解決了常規密封材料磨損壽命低的問題。間隙密封對各部件尺寸精度要求較高，各部件之間的正常安裝間隙足以對此造成影響。采用浮動密封套的形式可以在一定程度上解決裝配誤差對密封間隙精度的影響[5]。

理想狀態下活塞桿只軸向方向受力，但實際中，側向力不可避免。過大的側向力影響活塞缸與密封套的同軸度，使活塞桿與密封套產出接觸摩擦。甚至活塞桿偏心對環形間隙的泄漏量產生較為嚴重影響，最大偏心時的泄漏量是同心時的2.5倍。過大的泄漏量會使震動缸產生動作不到位，動態性能下降，及外泄漏等嚴重問題[6]。

靜壓支撐可以在不發生接觸的狀態下，活塞桿與密封維持同心狀態。由于不接觸，極大的減少接觸摩擦，使密封套和活塞桿的磨損量降到最低，活塞桿的接觸磨損明顯減少。很大程度上提高了整缸的使用壽命。同時，由于大幅度的降低了接觸摩擦，使振動缸的靜摩擦力、動摩擦力大幅降低。這不僅使整缸的穩態控制精度和動態響應品質得到提高，同時使用壽命得到進一步提升[7]。

2.2 密封套變形計算

根據相關研究，密封套的彈性變形及熱變形，對整體性能有重要影響[8,9]。工作時，密封套的變形將改變密封套與活塞桿的間隙。根據相關理論，間隙的變形改變環形間隙內部的流場狀態，同時極大的改變泄漏量。所以研究壓力對密封套的變形的影響很有必要。同時由于工作時，溫度的變化幅度較大，有必要研究溫度對密封套產生的變形影響。

通過實驗方法檢測最終的泄漏量，得出的結果最為可信。但對密封套的變形產生的影響不便檢測。同時，理論上密封套與活塞桿之間不直接接觸，但實際情況可能會有比較復雜的接觸情況[10]。因此采用通用有限元軟件模擬計算的方式，計算不同壓力下機不同溫度下的密封套的變形量，對于分析二者對變形的影響趨勢更有意義。

圖1 浮動靜壓支撐密封套

圖2 密封套剖視圖

圖3 整體結構圖

分別計算在油壓10MPa、20MPa狀態下，密封套的彈性變形量。

計算結果顯示，壓力對密封套的產生較大程度的變形，10MPa時最大變形量0.007mm，20MPa時最大變形量0.013mm。這么大的變形量將改變密封套的性能。所以設計時要充分考慮油路分布，必要位置引入壓力補償，降低油壓導致的彈性變形。

圖4 10MPa壓力導致的彈性變形

計算在溫度在20℃、40℃、60℃狀態下，密封套的熱變形量。計算結果顯示不同溫度導致密封套產生較大的熱變形，20℃熱變形0.017mm，60℃熱變形可達0.03mm。所以設計時需要考慮相應措施，減小熱變形對整體性能的不利影響。

2.3 專用防塵結構

防塵圈在油缸中有著重要的作用，現有振動缸的防塵圈皆為常規形式，密封唇口相對溝槽固定，活塞桿微量運動也會產生相對摩擦，所以磨損較快。

針對振動缸長期特定位置小幅振動的工況，開發了專用波紋防塵。在防塵唇口和安裝座之間增加波紋結構，如圖6所示。在活塞小幅運動的情況下，通過波紋的漲縮，使防塵圈唇口與活塞桿無相對運動，即減少了磨損，提高了防塵效果。同時，由于波紋結構的存在，使密封唇口相對安裝座的擺動更大，即使在活塞桿嚴重偏斜的情況下也能起到較好的防塵效果。

圖5 溫度20℃時的熱變形

圖6 波紋防塵的結構圖

3 結論

應用上述改進后，震動液壓缸靜摩擦力及動摩擦力減小。活塞桿偏擺現象改善。同時，活塞桿和密封套的磨損情況也得到改善。利用有限元計算說明壓力產生的彈性變形和溫度引起的熱變形足以改變整體密封系統的性能，設計時必須采取必要措施。特殊密封的使用減少了密封唇口與活塞桿之間的滑動摩擦，減少了磨損。最終使震動缸整體的動態響應品質、靜態控制精度有了一定的提升。同時，使用壽命有了較大提高。為結晶器整體壽命的延長提供了有利條件。