无维护液压油缸.pdf

无维护液压油缸属液压传动技术领域。其背景技术可参见《国外工程技术机械》P33-38，1/91。
    现有液压油缸因其密封结构中的弹性密封体的应力结构差，密封结构的耐压性能差及工作可靠性差（有安装切创、撕裂、挤出等硬性破坏），密封体的工作寿命短（1500-2000h，相当于9个月-1年）。其轴承寿命只是相对长些（6000-12000h，3-6年）。油缸在使用中维护太多，即增加机械的维护费用，又降低了机械的使用效率。

    本技术的目的在于，通过浮动结构及全隔挡密封的全新设计以及采用一种纯化轴承的方式设计一种具有良好的耐高压性能及在正常使用期无需维护的液压油缸。

    密封结构浮动设计（图1）将解除密封结构与轴承结构间的制约;密封体的全隔挡（图2）将解决密封体可靠性差及寿命短的问题。密封体空间的限定将其老化、浸蚀的有害结果（膨胀）转而对维持密封贴紧线压力有利;密封体的全压缩（无位错变形压缩。据第四强度理论＝｛1/2[（O1-O2）2+（O2-O3）2+（O3-O1）2｝12（刘鸿文《材料力学.上册》1982年10月第二版P.309高等教育出版社），材料的破坏性应力作用多被相互抵消（O1、O2、O3）相差不大））控制了材料的蠕变，并且全压缩能够有效地抵抗浸蚀，减缓材料的老化。更有浮动密封结构给出的较大的封油线压力余量（见浮动结构效果分析）使密封体的允磨量可以被设计得大于1-3mm（半径方向）。而根据工作条件为传动线速度＜25m/s，滑转干摩擦地三角皮带寿命达4000-5000h（《化工产品手册.橡胶及橡胶制品》化学工业出版社）;工作条件为摩擦线速度＜10m/s，摩擦轴径精车，摩擦线速度＜15m/s，摩擦轴径磨削（濮良贵《机械零件》1982年修订本P.311，高等教育出版社）的有骨架油封寿命可达一个大修周期（一般作程式化更换。非早期失效的失效形式多为轴径被磨出沟槽，早期失效则多为于安装不正确或安装尺寸设计失当（过紧））及现用非早期失效密封圈多不见磨损（多为蠕变或轴径偏置压变形失败）的事实（部分橡胶塑料材料在光滑的钢铁表面上非常耐磨）推论，时间摩擦路程仅为有骨架油封1/60（油缸运作的平均线速度在0.1m/s量级，可达0.25-0.50m/s）且轴径易带走摩擦热量（油封为固定位置旋转摩擦）、工作间歇次数多、时间长（至少每走一个工作长度停歇一次或一段时间）的液压油缸密封结构，在浮动及全隔挡设计之后（此时摩损为主要失效原因），完全有可能达到理论上的无维护寿命（2000-3000h，仅为三角皮带寿命的4-6倍，相当于10-15年。）而全隔挡密封结构的密封理论根据为：填塞封油模型演化（图3）、油缸从动工作态（油缸一般不作主动部件）密封状态分析（图4）及动态密封贴紧压力取力结构分析（图5）。

    轴承寿命的拓展则受益于密封结构与轴承结构制约关系的解除，此时轴承的寿命仅与油缸的伸缩运动有关，轴承的最终间隙可允许稍大。轴承作钝化处理，轴承表面微结构改善，轴承进入稳定工作期（钝化处理的目的是让轴承直接进入稳定工作期）的初始间隙减小后，油缸轴承则能较有保证地达到油缸整体的无维护寿命要求。而轴承的钝化处理过程为：液压（使表面晶粒顺受液压方向（垂直于滑动方向）变得细长而紧密），提高轴承的疲劳强度及耐磨性（王宝玺《汽车拖拉机制造工艺学》P142，中国农业机械出版社）后，用离心抛转（图6）方式改善轴承的适应性（利用转芯（或转筒）两端的刚性差异及缸口轴承（或活塞）两端的质量差异及随机撞击，对轴承进行仿工作态磨合（初时可加磨料），其效果为缸口轴承呈微观锥形（活塞为微观非对称鼓形），见图6.4及5，当然，此时的轴承材料只能用铸铁或铜合金了。

    采用全隔挡密封体带来的附加问题是，全压缩的密封体很难被装进其工作位置。图7结构则可使密封体被压力液体压入。其压力液体为阀控机动泵压油或手动泵压油。

    脱离轴承制约的浮动密封结构，其密封缝隙由0.20-0.30mm（直径方向），以上降为0.06mm（滑动配合）左右。更重要的是浮动结构能够始终保持缝隙均匀，不因偏置增大。0.03mm的单边缝隙对可以用尼龙圈保护的密封体不再有不利影响。至此，密封体有形的力的破坏因素除摩擦外均被消除。密封体的受压极限被大幅度（尚无计算依据）提高，此提高除能转变为油缸许用压力的增加外，还可转变为设计许用密封贴紧线压力余量。因为从简单的力的叠加原理即可看出，密封体承受的最大压力是被封油压力与密封贴紧线压力之和。而油缸的无维护效果则能为液压机械的用户节约油缸的维护（一般要涉及大臂架的拆装）费用、避免与油缸维护相关的维护停机（小中型液压机械的日租金即在几百至一二千元之间）损失及很有可能的维护创伤（部位于相对拆装力的弱强度结构及高精度光整面）损失。这些费用与损失的总合与油缸的制造成本相比即不是一个小数目;而若与油缸改进所增加的费用相比，其数字之大则无法评述，因为新结构油缸的生产过程与现用油缸的生产过程基本相同，并无特殊工艺要求，其成本基本不增加。

    附图中，图1是浮动密封结构，图2a是全隔挡密封体密封的全结构，图2b为其可能结构。图3a部分是填塞封油模型的演化，其说明油缸封油可以基于填塞封油模型解释：油缸静态及封油面逆油泄方向滑动动态（见图4滑动对封油无不利影响）的缝隙封油条件极佳，仅需密封体与密封壁间无初始状态（末充油状态）缝隙;封油面顺油泄方向滑动动态的缝隙封油条件亦仅为密封体须提供足够的密封贴紧线压力以阻止粘附于封油面上的油膜被带出。图3b部分则为全隔挡状态密封体的受力分析，其表明：全隔挡密封体受力无位置错变形，处于全压缩状态;全隔挡密封体的力传递特征与液体的力传递特征相同。图4是油缸从动工作态密封状态的分析，其说明仅有油缸缸口有封油面顺油泄方向滑动动态封油，即仅有油缸缸口的密封体需要提供密封贴紧线压力。图5则是密封贴紧线压力的取力形式分析。图中，3与5比较，3中的密封体的回复力无法控制，5中的密封体的回复力则可被调整。

    图8则是最佳状态下的无维护液压油缸全结构。

    注：公式中的O＝σ