液压缸活塞密封圈非均匀磨损的机理研究及解决方案
1．简介
活塞缸在液压传动中使用非常广泛，活塞外表面密封圈在工作过程中，起到隔离两腔、防止泄漏的作用。由于工作时密封圈始终与缸筒内表面摩擦，因而是需要定期更换的易损件。密封圈的磨损正常情况下应是沿周向的均匀磨损，但在工程中经常出现密封圈产生单边、局部的非均匀磨损，导致活塞缸短时间内就因泄漏而更换密封圈，直接影响活塞缸的效率以及使用该活塞缸装置的工作效率。
通过分析和研究密封圈产生非均匀磨损的机理，可以找出问题所在。改进活塞缸的相关结构，解决其产生非均匀磨损的问题，对减小泄漏、提高活塞缸的效率，具有十分重要的意义。
2．活塞密封圈非均匀磨损的机理
 活塞缸工作时，活塞在缸筒内作往复直线运动。在活塞外表面与缸筒内表面完全同心的情况下，密封圈产生的是均匀磨损。在不考虑其他影响因素的情况下，即使活塞与缸筒在制造、装配时不能做到完全同心，但由于装在活塞外表面密封圈弹性变形后的弹性力作用，缸筒会对密封圈产生沿周向均匀分布的径向力F，见图K(a)，这个径向力F可以确保活塞与缸筒同心，使活塞在缸筒内以同心的轨迹做往复运动，见图K(b)，这时密封圈产生的是一种均匀磨损。
 活塞与缸筒是否同心，除了受白身同轴度精度的影响外，还与活塞杆有关。活塞与活塞杆作为一个整体在缸筒内作往复直线运动，由于制造工艺的要求，活塞与活塞杆一般是分开制造，然后通过适当的连接方式将二者固接在一起。活塞与活塞杆的连接形式很多，目前采用的基本都属于刚性连接，见图L。
由于制造、装配的误差，活塞与活塞杆连接后，多种影响因素也可能导致活塞与缸筒产生同轴度误差，这些影响因素包括；
(1)活塞杆连接外表面与活塞内表面的同轴度误差，见图L中A处；
(2)活塞杆外表面与缸盖内表面的同轴度误差，见图L中B处；
(3)缸筒内表面与缸盖外表面的同轴度误差，见图L中C处。
同时，当活塞杆与被驱动负载连接以后，负载对活塞与缸筒的同轴度也会产生影响。
正是由于这些叠加产生的误差，使活塞与缸筒不同轴，从而导致密封圈产生非均匀磨损。
要解决上述同轴度误差，首先要保证相关零件的加工精度，如保证活塞杆的直线度、活塞密封沟槽的加工精度以及活塞杆与活塞的同轴度；其次在安装时要避免液压缸轴心线与负载运动方向的偏离。因此，在零件加工时，尽可能采用先进的工艺方法以保证各个零件的加工要求；其次，在液压缸装配时，也应尽量保证缸筒与缸盖、缸盖与活塞杆的同心，防止密封圈的偏磨，这对防止液压缸的泄漏是非常有效的，也是非常必要的。但在液压缸实际加工过程中，由于机床精度、零件加工装夹定位、分工序加工等的影响，致使液压缸在装配时很难保证上述同轴度，最终导致密封圈的偏磨，使密封圈的密封效果急剧下降而失效。
我们以常见的半环式连接结构为例，来分析密封圈产生非均匀磨损的机理。
 当活塞与活塞杆刚性连接以后，由于制造、装配、使用的原因，上述分析的三种原因使活塞轴线与缸筒轴线产生一个角度，见图M(a)。这时密封圈上的变形不等，在密封圈上产生沿周向非均匀分布的径向力，见图M(b)。非均匀分布的径向力使作用在密封圈上的正压力不等，从而使密封圈与缸筒内表面沿周向产生的摩擦力不等，导致磨损量大小不等，最终造成密封圈沿周向产生非均匀磨损的结果。
3．解决密封圈非均匀磨损的方法
活塞杆与活塞连接的功能是将活塞两边由于压力差或面积差所产生的力传递给活塞杆，通过活塞杆驱动负载运动。从前面的分析可知，在不考虑上述分析的三种原因的情况下，即使活塞外表面与缸筒内表面不能做到完全同心，依靠活塞外表面的弹性密封圈，也可以保证活塞与缸体的同轴。所以，应设法排除上述三种原因对活塞与缸体同轴度的影响。
在活塞与活塞杆之间采用柔性连接方式，可以解决因为刚性连接及前面所述原因对活塞外表面与缸筒内表面同轴度的影响，消除密封圈的非均匀磨损，同时不会改变活塞杆与活塞的连接功能。
如图N所示，活塞与活塞杆之间采用较大的间隙配合，活塞两端面与两个压板之间也留有较大间隙，在活塞与活塞杆之间配置“O”形密封圈，其弹性系数要小于活塞外表面密封圈的弹性系数。“O”形密封圈有两个作用：一是在活塞和活塞杆之间起密封作用；二是通过自身变形，消除因为活塞杆与活塞连接以后的误差对活塞外表面与缸筒内表面同轴度的影响。
当由于活塞杆连接外表面与活塞内表面的同轴度误差、活塞杆外表面与缸盖内表面的同轴度误差、缸筒内表面与缸盖外表面的同轴度误差，以及活塞杆与被驱动负载连接以后负载对活塞与缸筒同轴度的影响，使得活塞杆轴线偏离缸筒轴线时(见图O)，由于活塞与活塞杆之间的较大间隙、活塞两端面与两个压板之间的较大间隙及“O”型密封圈所产生的弹性变形，使得活塞外表面在密封圈弹性力的作用下保持与缸筒内表面同轴，避免活塞由于活塞杆轴线偏离缸筒轴线所引起的活塞外表面与缸筒内表面的不同轴，从而消除了密封圈由于变形不等而产生的沿周向非均匀分布的径向力，以及随之产生的非均匀磨损。
4．总结
密封性能是液压缸的重要性能之一，这项性能的好坏直接影响液压缸的工作性能、可靠性以及使用寿命。为保证液压缸具有良好的密封性能，可以通过柔性连接方式，将其他因素对活塞外表面与缸体内表面的同轴度影响消除掉，解决活塞密封圈的非均匀磨损，同时由于降低了对活塞、活塞杆、缸筒及缸盖制造精度的要求，使上述零件的加工成本和装配成本降低，达到事半功倍的效果。 |
