爐排爐油缸密封圈的選用及維護(hù)

傅崇振

（上?？岛悱h(huán)境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

液壓缸是一種重要的液壓執(zhí)行元件，其能將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，且擁有運(yùn)行平穩(wěn)、體積小、傳遞作用力大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于垃圾焚燒爐設(shè)備，如架橋破解裝置、推料器、爐排和出渣機(jī)。但由于爐排爐設(shè)備運(yùn)行工況較差，在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到油缸漏油、滲油現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)這些問(wèn)題，就需要對(duì)爐排爐進(jìn)行壓火以方便檢修，嚴(yán)重的可能需要停爐處理，大大影響了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及生產(chǎn)效率。因此，合理選用密封圈并做好運(yùn)行維護(hù)工作是解決爐排爐液壓缸泄漏問(wèn)題的主要保證。

針對(duì)密封圈的選用，崔宏英［1］從密封圈的壓縮率、過(guò)盈量、拉伸量、軸孔配合精度及加工精度、密封圈的寬度與形狀、橡膠硬度等方面進(jìn)行了研究；盛中原［2］通過(guò)密封圈的尺寸選擇、材料硬度、安裝后的初始?jí)嚎s量、拉伸和擠壓、安裝溝槽的填滿率和圓角、倒錐、允許最大徑向間隙等方面進(jìn)行密封圈的選型與使用研究。這些研究側(cè)重于密封圈材料的物理參數(shù)及加工尺寸、精度等，而本文從密封圈的密封原理及爐排爐現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件分析入手，如現(xiàn)場(chǎng)的工作溫度、液壓油工作壓力等，介紹爐排爐液壓缸密封圈的選型方法及要點(diǎn)。

針對(duì)液壓缸密封圈的運(yùn)行維護(hù)，鄭之盛［3］從壓縮率、拉伸率、膠料特性和配合件加工精度4 個(gè)方面，分析了O 型圈密封性能失效的形式和原因。之前的研究側(cè)重于設(shè)計(jì)及安裝方面的分析，本文結(jié)合爐排爐油缸現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況，分析了密封圈失效的原因，并總結(jié)了爐排梁液壓缸在裝配及運(yùn)行過(guò)程中的維護(hù)方法。

1 O型密封圈的密封原理

液壓缸的密封主要依靠O 型密封圈，O 型密封圈的工作原理是通過(guò)安裝時(shí)給密封圈的預(yù)緊力P0和運(yùn)行過(guò)程中液壓油給的工作壓力P共同作用，使O 型密封圈產(chǎn)生彈性形變?chǔ)?，形變產(chǎn)生接觸應(yīng)力σ，該應(yīng)力可以阻止液壓油從接觸縫隙泄漏，達(dá)到密封效果，如圖1 所示。

圖1 O型圈作用原理

依照《材料力學(xué)》［4］的廣義虎克定律：

因O型密封圈溝槽通常是由優(yōu)質(zhì)金屬材料制造的，在介質(zhì)壓力P的作用下，金屬材料在x、y方向的變形極小，近似等于0［5］，所以：

查得橡膠密封材料的泊松比為0.47［6］，代入公式可得：

由此可見(jiàn)，介質(zhì)壓力越高，O 型密封圈作用于接觸表面的附加接觸應(yīng)力也越大，這就是O型密封圈的密封原理。

2 O型密封圈的材質(zhì)選用

目前用作油缸密封的材料主要有丁腈橡膠、聚氨酯橡膠、氟橡膠及氫化丁腈橡膠。選擇密封圈的材質(zhì)，需要根據(jù)以下幾個(gè)前提條件選擇：工作介質(zhì)（液壓油）；油缸油溫及周?chē)ぷ鳝h(huán)境溫度；工作壓力及使用頻率等。

2.1 工作介質(zhì)

選擇與使用液壓油匹配的密封材質(zhì)很重要，若選擇錯(cuò)誤，密封圈材質(zhì)會(huì)產(chǎn)生劣化，造成密封圈損壞。各密封材質(zhì)適用工作油如表1 所示。由表可知，因?yàn)榉贌隣t爐排液壓系統(tǒng)使用的液壓油是一般礦物性工作油，因此4 種密封均可使用。

表1 各密封材質(zhì)適用工作油

2.2 工作溫度

橡膠材料建議的最高使用溫度，一般都是根據(jù)ASTM D573等橡膠熱老化測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，采用熱空氣加速老化測(cè)試出來(lái)的結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用工況中，需要結(jié)合工作介質(zhì)的腐蝕性，預(yù)留一定的安全余量［7］。

由于爐排區(qū)域離燃燒區(qū)域較近，液壓缸工作環(huán)境溫度偏高，一般在60 ℃左右，少數(shù)情況惡劣的，液壓缸活塞桿溫度測(cè)量超過(guò)90 ℃，可根據(jù)表2 所示的各密封材質(zhì)耐溫性能，選取適合的密封圈材質(zhì)。

表2 各密封材質(zhì)耐溫性能

2.3 工作壓力及工作頻率

各密封材質(zhì)適用工況如表3 所示。

表3 各密封材質(zhì)適用工況

O型密封圈材料的硬度選擇主要取決于工作壓力，爐排油缸額定工作油壓為12 MPa，最大工作壓力為14 MPa，所以4 種材質(zhì)均滿足要求，聚氨酯橡膠及氫化丁腈橡膠性能更優(yōu)。

幾種密封圈材質(zhì)的對(duì)比分析如下。

（1）聚氨酯橡膠

聚氨酯橡膠的拉伸強(qiáng)度是丁腈橡膠的2.5 倍左右，因此其耐壓性、耐磨性非常優(yōu)異。但是聚氨酯橡膠長(zhǎng)期使用后，由于受熱及工作油的劣化（與油溫產(chǎn)生疊加效應(yīng)），會(huì)導(dǎo)致橡膠材質(zhì)發(fā)生變化，因此每隔1 年左右需要拆卸檢查1 次。

（2）丁腈橡膠

（3）氫化丁腈橡膠

在高溫條件下需要比氟橡膠更好的耐磨損性，或在常溫條件下需要比丁腈橡膠更好的耐磨損性時(shí)，使用氫化丁腈橡膠是最佳選擇。

綜上，低溫區(qū)爐排設(shè)備的油缸選擇使用丁腈橡膠，高溫區(qū)域的油缸建議使用氫化丁腈橡膠。

3 現(xiàn)場(chǎng)密封失效原因分析

密封圈常見(jiàn)的失效形式有永久變形、間隙咬傷、顆粒磨損、扭曲現(xiàn)象、焦耳熱效應(yīng)、表面磨損［8］等，導(dǎo)致這些失效形式的原因有很多，以下為焚燒爐液壓缸密封圈常見(jiàn)的幾種失效原因。

3.1 拆裝損壞

油缸出現(xiàn)漏油、滲油問(wèn)題后，現(xiàn)場(chǎng)工人一般就地進(jìn)行拆卸及檢修，由于受場(chǎng)地、工具和施工人員能力限制，或多或少會(huì)對(duì)油缸零件造成損傷，如強(qiáng)拆油缸的過(guò)程中造成活塞桿刮傷等。另外，如果在焚燒車(chē)間內(nèi)直接拆解油缸，由于周?chē)h(huán)境灰塵較多，易導(dǎo)致油缸本體內(nèi)混入雜質(zhì)，檢修完成恢復(fù)運(yùn)行后，運(yùn)行過(guò)程中雜質(zhì)會(huì)磨損油缸密封圈及活塞桿，運(yùn)行不久后又會(huì)出現(xiàn)滲油情況，如圖2 所示。

圖2 拆裝受損導(dǎo)致漏油

3.2 儲(chǔ)藏保管不善

備件油缸及待發(fā)貨油缸存放時(shí)需要保持豎直放置，若將油缸平放，由于受重力影響，油缸活塞桿受重力直接壓在一側(cè)密封圈上，長(zhǎng)時(shí)間放置會(huì)導(dǎo)致局部密封圈長(zhǎng)期受力，發(fā)生不可逆的形變，導(dǎo)致油缸加壓運(yùn)行后出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，如圖3 所示。

圖3 油缸結(jié)構(gòu)

3.3 工作環(huán)境惡劣

垃圾焚燒爐在運(yùn)行過(guò)程中周?chē)鷾囟葧?huì)升高至50 ℃左右，由于油缸與伸進(jìn)爐膛的頂桿相連，熱量會(huì)由頂桿傳導(dǎo)至油缸本體，導(dǎo)致油缸活塞桿溫度升高，最高可達(dá)90 ℃左右，過(guò)高的溫度會(huì)加速密封圈的老化、硬化，最終導(dǎo)致密封圈失效。另外，焚燒爐運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生大量細(xì)灰，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后一些密封裝置會(huì)出現(xiàn)磨損、損耗及縫隙，部分細(xì)灰易泄漏出來(lái)。正常情況下，油缸會(huì)帶有防塵罩隔絕細(xì)灰，但防塵罩經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間伸縮運(yùn)動(dòng)達(dá)到疲勞極限后會(huì)出現(xiàn)破損失效的情況，細(xì)灰會(huì)附著在活塞桿上被帶入油缸本體，造成密封圈磨損和油質(zhì)污染，如圖4 所示。

圖4 活塞桿及缸筒磨損

3.4 油質(zhì)污染

液壓系統(tǒng)如果不經(jīng)常濾油，液壓油中就會(huì)含有大量雜質(zhì)，易導(dǎo)致密封圈和油桿的磨損，最終導(dǎo)致漏油，如圖5 所示。

(2)矢量控制系統(tǒng)代替方向舵，可以減少甚至取消由于方向舵面與垂尾之間縫隙產(chǎn)生的寄生阻力。在方向舵和垂直尾翼之間的具有旋轉(zhuǎn)縫隙，由于這個(gè)旋轉(zhuǎn)縫隙的存在，飛機(jī)在飛行過(guò)程中，氣流經(jīng)過(guò)這個(gè)旋轉(zhuǎn)縫隙時(shí)，由于縫隙的擾動(dòng)作用，會(huì)在這個(gè)縫隙中產(chǎn)生渦流，同時(shí)產(chǎn)生寄生阻力(夜叫干擾阻力)，由于矢量控制系統(tǒng)的引入，方向舵被取代，方向舵和垂尾組成一個(gè)整體，形成新的垂直尾翼，就可以抵消掉由于縫隙處的氣流分離產(chǎn)生的渦流導(dǎo)致的干擾阻力，增加飛機(jī)的整體性能。

圖5 液壓油污

3.5 設(shè)備安裝存在問(wèn)題

設(shè)備在組裝過(guò)程中，如果驅(qū)動(dòng)裝置組裝存在誤差，導(dǎo)致油缸活塞桿在運(yùn)行過(guò)程中偏向一側(cè)，易導(dǎo)致油缸密封圈長(zhǎng)時(shí)間單側(cè)受力磨損，大大縮減壽命。

3.6 油缸內(nèi)氣體未排出

調(diào)試期間沒(méi)有將油缸內(nèi)氣體及時(shí)排出會(huì)導(dǎo)致油缸在工作時(shí)壓力積聚，隨即高溫高壓氣體產(chǎn)生的爆炸現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致密封圈發(fā)生燒損［9］，如圖6 所示。

圖6 密封圈燒損

4 解決措施

4.1 規(guī)范裝配流程

油缸檢修建議發(fā)回原廠檢修維護(hù)，原廠可以提供更好的檢修環(huán)境和更專(zhuān)業(yè)的檢修人員。若由于項(xiàng)目緊急且無(wú)備用油缸的情況下，建議將油缸轉(zhuǎn)移至環(huán)境較好的檢修室內(nèi)完成拆裝，如圖7 所示。

圖7 專(zhuān)業(yè)的檢修平臺(tái)

拆裝過(guò)程零件需輕拿輕放，且拆卸完成后各零件需用汽油清洗，如圖8 所示。

圖8 零件清洗

O型密封圈裝配要點(diǎn)：（1）安裝前檢查O型密封圈表面質(zhì)量、集合尺寸和精度，不得有飛邊、毛刺、裂痕、切邊、氣孔和疏松等缺陷；（2）仔細(xì)檢查工件，保證往復(fù)運(yùn)動(dòng)的軸和孔有較好的同軸度；（3）裝配過(guò)程前需涂抹潤(rùn)滑油；（4）裝配和拆卸過(guò)程中應(yīng)注意防止O型密封圈擦傷、刮傷；（5）拉伸狀態(tài)下安裝的O型密封圈，為使伸張后的斷面恢復(fù)成圓形，裝入槽后應(yīng)放置適當(dāng)時(shí)間后再將配套件裝上［10］。

4.2 做好儲(chǔ)藏及保管工作

在儲(chǔ)存過(guò)程中，液壓缸需保持豎直放置，且用塑料膜包裹嚴(yán)密。密封圈的存放需注意因氧化變質(zhì)引起的性能下降，存放密封圈的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)1.5 年，保存時(shí)要避免陽(yáng)光直射，又要防潮、防熱、防酸、防堿等，也不允許用繩子或鐵絲將其串掛保存［11］，如圖9 所示。

圖9 油缸存放

4.3 優(yōu)化工作環(huán)境

需做好爐排設(shè)備的密封，盡量減少油缸區(qū)域的灰塵；做好焚燒爐設(shè)備的保溫工作，優(yōu)化油缸區(qū)域的檢修和通風(fēng)空間，降低油缸周?chē)臏囟?，以保證油缸密封圈的壽命。

4.4 優(yōu)化液壓缸設(shè)計(jì)

通過(guò)將頂桿密封設(shè)計(jì)為雙道密封，延長(zhǎng)密封圈更換周期；針對(duì)高溫問(wèn)題，選用更耐溫耐磨的材質(zhì)，提高密封圈的壽命。

4.5 嚴(yán)格控制設(shè)備組裝精度，規(guī)范設(shè)備安裝及調(diào)試流程

在設(shè)備制造廠家需嚴(yán)格驗(yàn)收，保證零件加工精度及設(shè)備組裝精度；現(xiàn)場(chǎng)在安裝設(shè)備過(guò)程中需嚴(yán)格按照安裝資料要求安裝，放線、找正需控制精度，確保設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行；調(diào)試期間需確認(rèn)液壓油品質(zhì)及有缸內(nèi)氣體是否完全排出。

4.6 定期過(guò)濾、更換液壓油

加強(qiáng)液壓油的檢測(cè)與管理，液壓油的污染控制一般為NAS9級(jí)，即液壓油中直徑大于10 μm 的污染物顆粒濃度必須小于3 mg／100 ml［12］，若超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)需及時(shí)更換液壓油。另外，液壓油不得混用，添加液壓油時(shí)必須要求與原液壓油同一品牌、同一型號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

油缸密封圈壽命的長(zhǎng)短受很多因素影響，從設(shè)計(jì)到組裝、儲(chǔ)存，到最后運(yùn)行和維護(hù)階段都會(huì)存在影響。為了提高油缸密封圈的使用壽命，在設(shè)計(jì)階段應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用工況選用適合的材質(zhì)；在制造階段應(yīng)保證設(shè)備零件的加工精度并規(guī)范設(shè)備裝配流程，確保設(shè)備安裝精度；在使用階段應(yīng)保證對(duì)油缸定期檢查維護(hù)、不斷優(yōu)化油缸工作環(huán)境，并定期濾油、換油。油缸是整個(gè)爐排系統(tǒng)各設(shè)備的核心驅(qū)動(dòng)部件，保證了油缸密封圈的壽命，就是保證了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和整廠的生產(chǎn)效益。