液壓支架活塞桿柱塞、缸筒配合間隙和密封性能的關(guān)系研究

黃圓志

摘 要：活塞桿是液壓支架中最重要的承載部件，液壓裝置密封部分的尺寸大小和加工精度直接關(guān)系整體的密封性能和使用壽命，其中，活塞柱的柱塞、缸筒配合間隙與液壓支架的整體密封性具有重要的關(guān)聯(lián)。基于此，本文論述了液壓支架活塞桿的作用和主要損壞原因，分析了活塞桿柱塞、缸筒配合間隙和密封性能的具體關(guān)系，最后提出優(yōu)化液壓支架活塞桿柱塞、缸筒配合間隙和密封性能的措施，為相關(guān)工程人員提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：活塞桿;缸筒;間隙尺寸;密封性能

中圖分類號：TD355.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2021）06-0072-03

Research on the Relationship between Sealing Performance and the Fit Clearance of the Piston Rod Plunger of the Hydraulic Support and the Cylinder Barrel

HUANG Yuanzhi

（Lanzhou Resources & Environment Voc-Tech College，Lanzhou Gansu 730021）

Abstract： The piston rod is the most important bearing component in the hydraulic support， the size and processing accuracy of the sealing part of the hydraulic device are directly related to the overall sealing performance and service life， among them， the fit clearance between the plunger and cylinder of the piston column is importantly related to the overall sealing of the hydraulic support. Based on this， this paper discussed the function of the piston rod of the hydraulic support and the main causes of damage， and analyzed the specific relationship between the piston rod plunger， the cylinder barrel and the sealing performance， finally proposed measures to optimize the clearance and sealing performance of the piston rod plunger， cylinder barrel of the hydraulic support， and provide some reference for related engineers.

Keywords： piston rod;cylinder barrel;gap size;sealing performance

液壓支架是液壓裝置的重要組成部分，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場需求，隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和社會建設(shè)的不斷加快，諸多行業(yè)對液壓裝置的需求逐漸上升。活塞桿是液壓支架的主要承載部分，其使用壽命直接關(guān)系整個(gè)液壓支架的使用，具有重要的價(jià)值。

1 活塞桿的作用和主要損壞原因

1.1 活塞桿的作用

活塞桿部件在液壓支架中起著重要的承載作用，其具體的工作原理是，活塞桿通過不斷進(jìn)行收縮作業(yè)，使得頂梁和頂板實(shí)時(shí)接觸[1]。其間，頂板壓力得到分散，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對頂板的保護(hù)，使得使用安全得到有效保障。液壓缸主要分為三部分，即缸體、密封件和液壓介質(zhì)。液壓缸需要借助液壓介質(zhì)的不可壓縮性來為自身提供工作所需的推移力和支撐力。其中，密封件能夠隔離高壓腔與低壓腔，同時(shí)與缸體緊密接觸，使得液壓缸能夠在不泄露液壓介質(zhì)的前提下順利完成運(yùn)動(dòng)過程，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。也就是說，密封件的主要功能就是隔離高壓與低壓。

1.2 活塞桿的主要損壞原因

在實(shí)際的操作過程中，液壓支架活塞桿會出現(xiàn)故障，最常見的原因就是密封性能遭到破壞，密封性能的降低會導(dǎo)致活塞桿在實(shí)際工作時(shí)發(fā)生降柱現(xiàn)象。降柱是指當(dāng)頂板來壓時(shí)，活塞桿內(nèi)部的一些小柱自動(dòng)縮回中缸內(nèi)部，失去原有的支撐作用，此時(shí)僅靠一級缸筒進(jìn)行支撐。這種現(xiàn)象會造成一定的安全隱患，人們必須予以重視。維修人員將部件進(jìn)行進(jìn)一步的拆解，發(fā)現(xiàn)問題主要是小柱柱塞鼓型密封圈損壞造成的，這時(shí)更換密封圈，其就能夠正常使用。這種損壞形式是活塞桿內(nèi)部的小柱在上腔處的導(dǎo)向環(huán)出現(xiàn)斷裂損壞而造成的，沿?fù)p壞導(dǎo)向環(huán)軸向的鼓型密封圈的支撐環(huán)發(fā)生損壞[2]。

在液壓系統(tǒng)中，液壓缸應(yīng)用范圍最廣，使用頻率最高，對于液壓系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行發(fā)揮重要作用。想要運(yùn)動(dòng)元件平穩(wěn)地進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，人們就需要做好其密封部分的工作，否則就會造成油液泄露。過去往往使用機(jī)械密封形式，雖然它能夠滿足生產(chǎn)需要，但是隨著使用頻率的提升，部件磨損越來越嚴(yán)重，部件損耗量十分大，相應(yīng)的泄露量也越來越大。

在液壓支架的整體組成中，密封圈也具有重要的作用，密封圈的應(yīng)力范圍集中于密封圈與缸筒的接觸區(qū)域、密封圈擠進(jìn)間隙的區(qū)域、密封圈與活塞的溝槽相接觸的區(qū)域，這些區(qū)域是密封圈的薄弱部分。在平常的使用過程中，其主要有O形圈和唇形圈兩種形式。理論上，唇形圈內(nèi)部的應(yīng)力分布更加均勻，能夠?qū)⑹芰τ行Х稚ⅲ灰壮霈F(xiàn)某處長期處于集中受力狀態(tài)而造成磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象。因此，在實(shí)際的操作過程中，唇形圈可以代替O形圈，具有更加廣闊的應(yīng)用前景，能夠避免密封失效而造成的油缸泄露現(xiàn)象。

2 液壓支架活塞桿柱塞、缸筒配合間隙和密封性能的關(guān)系分析

雙伸縮的活塞桿是一個(gè)組合體，活塞與缸筒、活柱與導(dǎo)向套的金屬構(gòu)件之間都存在必要的間隙，正是通過導(dǎo)向環(huán)、密封件之間的間隔，活塞桿被進(jìn)一步分割成不同的密封腔體[3]。在實(shí)際的工作過程中，液壓支架內(nèi)部的活塞桿不僅要承擔(dān)來自軸向的荷載，還要承受一定的徑向力。但是，密封件和導(dǎo)向環(huán)之間會產(chǎn)生一定的彈性變形量，這是操作過程中不可避免的，因此，在徑向力的作用下，活柱會在缸筒內(nèi)部呈現(xiàn)出一定的偏心狀態(tài)，這種偏心狀態(tài)將直接導(dǎo)致柱塞與缸筒之間的間隙出現(xiàn)偏差，進(jìn)而造成一定的問題。

在預(yù)壓縮量和高壓液體的擠壓作用下，密封件會產(chǎn)生一定的密封作用。其間，密封件將大部分的壓力傳遞到金屬基體上，如果金屬基體的尺寸大小和制作精度不能滿足需要，如尺寸過小或形狀不規(guī)則，就會造成導(dǎo)向環(huán)和密封件在壓力的作用下向空間更大的一部分間隙中擠入，再經(jīng)過長期的單向作用，在活塞桿頻繁上下運(yùn)動(dòng)之下，密封件的一側(cè)長期受到磨損，壓力難以均衡，使用壽命被大大壓縮，進(jìn)而導(dǎo)致密封作用的喪失。因此，一般而言，活塞桿內(nèi)部的柱塞等部件的加工精度要求比較高。

3 實(shí)例分析

3.1 各部件的基本情況

在進(jìn)行實(shí)例選擇時(shí)，采用的是320/280/200/170雙伸縮結(jié)構(gòu)的活塞桿，其詳細(xì)的示意圖如圖1所示。活塞桿的內(nèi)部有3個(gè)彼此獨(dú)立的液體腔，當(dāng)活塞桿處于工作狀態(tài)時(shí)，其主要的作業(yè)流程如下：首先，乳化液從進(jìn)液口進(jìn)入活塞桿的下腔，在將其內(nèi)部填滿后，活塞桿逐漸升高，當(dāng)升高到支架的頂梁部分時(shí)，能夠與頂板實(shí)現(xiàn)完全的接觸，這時(shí)，活塞桿的控制閥關(guān)閉進(jìn)液口;然后，頂板處的壓力通過小柱傳遞到下腔的液體中，下腔的液體在阻力作用下實(shí)現(xiàn)支架對巷道的頂板支護(hù)，其間，一般來說，在阻力一定的情況下，活塞桿各個(gè)部分的截面積越小，其受到的壓力就會越大，活塞桿的內(nèi)部組件主要有外缸、中缸、小柱，其中，小柱的截面積最小，承受的壓力也最大。

3.2 故障原因

在對密封損壞的活塞柱進(jìn)行檢查時(shí)，維修人員發(fā)現(xiàn)，就外觀而言，在密封損壞的位置上，柱塞部分的加工比較粗糙，缺陷問題比較明顯。首先，原材料加工時(shí)余量不足，并且存在一定的黑皮，使得該部分的尺寸出現(xiàn)一定的超差現(xiàn)象。另外，就表面的粗糙度而言，表面過于粗糙，沒有達(dá)到一定的加工標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)的測量數(shù)值如表1所示。

3.3 改進(jìn)建議與改進(jìn)結(jié)果

根據(jù)以上分析可知，對液壓支架中的活塞桿而言，柱塞、缸筒的配合間隙和密封性能關(guān)系密切，在這個(gè)實(shí)例中，由于加工環(huán)節(jié)不到位，工藝比較粗糙，造成基體部分的尺寸不足，并且形狀不規(guī)則，使得其使用壽命受到影響，在遠(yuǎn)沒有達(dá)到密封件疲勞強(qiáng)度的情況下出現(xiàn)了損壞，進(jìn)而使得密封受損，難以達(dá)到有效的密封效果。針對這種情況，人們可以對相應(yīng)部件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和加工，這樣能夠有效避免類似問題的出現(xiàn)，提升部件的整體使用壽命[4-5]。在對小柱的柱塞進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與加工時(shí)，有幾點(diǎn)需要格外注意。首先，小柱柱塞的密封溝槽部分要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，柱塞外圓的密封件支撐部分要按照有關(guān)設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，缸筒設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)格控制誤差[6-7]。其次，要注意圓柱度和表面的粗糙度[8]。在大工作阻力活塞桿的設(shè)計(jì)和加工環(huán)節(jié)，根據(jù)上述分析和實(shí)測數(shù)值可知，這部分的尺寸要進(jìn)一步加大，減小其與缸筒內(nèi)孔的間隙，這會對零件加工和裝配提出挑戰(zhàn)，增加這部分的工作難度，但是能夠有效提升活塞桿在使用時(shí)的承壓能力，提高其密封性能，延長使用壽命，實(shí)現(xiàn)活塞桿的安全使用，經(jīng)濟(jì)效益良好。

4 結(jié)論

作為重要的承載部件，活塞柱對于液壓支架來說至關(guān)重要，其密封部分的尺寸加工精度對整體密封效果具有重要的影響。精細(xì)加工能夠保障部件的密封性能得到良好發(fā)揮，而小柱柱塞和缸筒內(nèi)孔的間隙尺寸對密封性能具有重要影響。因此，大工作阻力的活塞桿要適當(dāng)減小間隙，有效提升活塞柱的使用壽命和安全性。

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