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液压密封件寿命影响因素分析

时间:2016-11-28来源: 作者: 点击: 16次


张玲 卢洪滨

(山东蓬翔汽车有限公司)

摘要:液压缸密封效果是保证液压缸正常工作的前提,本文从密封件原材料性能、影响密封性能的主要因素、密封失效形式等角度,分析影响液压缸往复密封件寿命的因素,着重强调温度对密封件性能的影响,有针对性地从使用、保存等方面提出延长使用寿命的措施。

关键词:液压缸 聚氨酯 密封 老化 寿命

The analyse of hydraulic seal’s service life

Zhang ling

AbstractHydraulic cylinder sealing effect is the premise of guarantee the normal work of the hydraulic cylinder, this article from the seal performance of raw materials, the main factors influencing the sealing performance and sealing failure modes such as point of view, analysis of the factors affecting the service life of hydraulic cylinder reciprocating seal, emphasis on temperature effect on the properties of the seals, targeted from aspects of the use, save, prolong the service life of the measures are put forward.

Key Words: cylinder ,polyurethane,seal,aging, service life

液压缸的密封效果好坏是界定液压缸质量好坏的重要指标,密封件的性能又是影响密封效果的关键因素,密封件的使用寿命不能笼统的规定为几年或多少小时,它与使用条件、密封件的材质、密封件质量、安装沟槽、安装方法和密封件的保管等因素有关。

1.概述

不同类型的聚氨酯橡胶在性能上略有不同。浇注型聚氨酯橡胶具有较高的力学机械强度、耐热性和耐溶剂性,缺点是弹性较小;热塑性聚氨酯橡胶具有较高的力学机械强度、低温性能和耐臭氧性,缺点是耐溶剂性和耐热性差[1]

聚氨酯橡胶主要缺点是:耐水性差、耐酸碱性差;聚氨酯的耐油性(如矿物油、柴油、润滑油)优异,但对于抗燃性液压油(水-油乳化液、水-乙三醇基、磷酸酯基、刹车油)等某些工业用油来说,由于其中含有芳烃(尤其是氯代芳烃),导致聚氨酯橡胶溶胀[1]

2.影响密封件性能的重要参数

2.1弹性

密封材料的弹性对于密封件的密封性极为重要,弹性随温度有较大变化,同一材料不同温度下弹性不同。密封件的弹性不但保证了密封件的初始密封压紧力,也保证了当密封偶件有偏心时,密封件可以依靠弹性补偿这一偏心。

密封件是因其在密封槽中有一定的压缩变形,靠变形回复力而获得密封能力的,由于密封用的合成橡胶是粘弹性材料,长时间受压会有不可回复的永久变形,发生永久变形导致密封失效。

2.2硬度

硬度是材料表面抵抗塑性变形或破裂的能力,硬度低的材料表现出受力变形的柔顺性,在粗糙表面上变形,顺应表面形状,也就是我们平常所说的密封圈的跟随性。密封圈硬度越高耐压能力越高,但是硬度低对提高密封性具有有利影响。

2.3老化和耐候性

老化是高聚合物在长期使用或存放过程中,由于各种因素的作用,性能随时间不断劣化。

老化的机理主要是分子链的结构发生了降解和交联。引起老化的外在原因有热、光、辐射、应力等物理因素和氧与臭氧、水、酸、碱等化学因素,老化的外在表现为龟裂、发粘、硬化、软化、粉化、变色、长霉等[1],老化后的密封件物理化学性质和机械性能的逐步变坏,

逐渐丧失使用价值,老化过程不可逆。橡胶密封件老化后变硬、变脆、失去弹性,导致密封件失效。

油缸存放过程中,空气中的氧气、水蒸气、密封圈唇口的应力都是引起密封圈老化的原因,密封圈的老化是密封圈的主要失效模式,所以耐老化性能的好坏是影响密封圈寿命的主要因素。

3.影响密封件寿命的主要因素

密封圈在正常使用状态下,破坏方式主要为温度、空气、粉尘等因素造成的密封材料老化和唇口的磨损(过盈量降低),随着油封唇口的磨损与唇口过盈量的降低,对轴偏心追随能力降低,密封可靠性降低,但其寿命的长短。

当油缸长期横置不工作时,影响密封圈寿命的因素远比工作状态复杂,现分析以下几种因素对密封圈寿命的影响。

3.1温度

密封件的工作温度是影响密封性能的重要因素,因为此温度和环境温度之间任何明显的差别,通常都改变材料特性。密封材料在低温和高温所呈现出的变化是大不相同的。低温会使聚氨脂或橡塑油封弹性降低,造成泄露,甚至整个油封变得发硬发脆;高温会使油封体积膨胀、变软,造成运动时油封摩擦阻力迅速增加和耐压能力降低[2,3]

随温度的降低,分子运动被冻结,橡胶密封材料倾向于逐渐变硬,柔顺性逐渐丧失,刚度增大,变形恢复减慢,所以在低温下,通过仪器测量材料的柔顺性变化趋势或者扭转刚度变化趋势,可以较直观的反应材料的低温性能[3]

随温度的升高,橡胶密封材料逐渐失去强度,从而变得更软更柔顺,强度的降低减少密封件的使用寿命[3],所以在高温下,通过仪器测量材料的强度变化趋势,可以较直观的反应材料的高温性能。另外,如果密封件长期处于高温下工作,就要注重考虑密封件的老化。过高的温度会导致材料发生氧化劣化,加速材料的老化,表现出来的是弹性、硬度、抗张强度明显降低,严重硬化时还会发生龟裂,橡胶的高温性能劣化是化学变化,不可逆。

国产某密封圈材质在小于30Mpa的压力,温度范围为-40℃--100℃的条件下,最多可以使用15000次,按照油缸每天举升20次计算,密封圈可以保证使用375天,长时间在超过100℃的环境下使用,温度每升高15℃,其寿命降低50%。

3.2运动速度
   运动速度很低(<0.03m/s)时,要考虑设备运行的平稳性和是否出现"爬行"现象。运动速度很高(>0.8m/s)时,起润滑作用的油膜可能被破坏,油封因得不到很好的润滑而摩擦发热,导致寿命大大降低。

3.3偏载

橡胶塑料类高分子材料的压缩永久变形不仅与温度和受力大小有关,还与变形量、变形时间有关。

密封圈在系统中只起密封作用,不起导向作用,更不应该承受偏载,当承受偏载时,密封圈使用寿命会严重降低。偏载对密封件性能的影响表现在加速密封件产生永久变形。偏载使密封圈的一部分唇口长期处于受压状态,橡胶分子链在应力长时间作用下,会发生分子链的相对位移,产生应力松弛,当应力除去后,材料的回复能力降低甚至失去。

国产某品牌密封件原材料在1Mpa压力下,能保证6个月内压缩永久变形率小于40%,以某国内密封圈为例,密封圈内唇口单边压缩量为1.4mm计算,半年内唇口变形量小于0.55mm。正常使用情况下,密封圈唇口承受压力很小。

油缸长期横置,密封圈一侧长期处于受压状态,最大压缩量约为1.6mm,由油缸自重产生的对密封圈唇口的压力约为0.8Mpa。

3.4外部环境  

暴露于自然环境中使用的密封材料,会受到空气中水分的影响,在盐污地区,极易受到盐雾的影响[7],这些都加快了密封件的自然老化。

3.5 清洁度

油液的老化或污染不仅会使系统中的元件发生故障,加快油封的老化和摩损,而且其中的脏物可能划伤或嵌入油封,使密封失效。因此,必须定期地检查油液品质及其清洁度,并按液压缸的维护规范更换滤油器或油液。在油缸里油液中残留的空气经高压压缩会产生高温使油封烧坏,甚至炭化。为避免这种情况发生,液压缸应在低压慢速运行数分钟,确认已排完油液中残留的空气,方可正常工作。

3.6液压冲击

产生液压冲击的因素很多,如自卸车举升的瞬间,除外在因素外,对于高压大流量液压系统,液压缸换向时,如果换向阀性能不太好,很容易产生液压冲击。液压冲击产生的瞬间高压可能是系统工作压力的几倍,这样高的压力在极短时间内会将油封撕裂或将其局部挤入间隙之内,造成严重损坏。自卸车用液压缸,液压系统中必须有压力控制系统,以防瞬间高压对系统的伤害。

4.液压缸的使用温度

工作温度是影响密封件性能的重要因素,过高或过低的温度都会降低密封件的使用寿命,影响液压缸温度的因素可分为外因和内因两部分:

外因:南北方气候差别很大,内蒙地区气候干燥,10月份温度就可以达到零下,冬季最低温度-30℃左右,而且冬季持续时间长,春季风沙很大,偶尔会有沙尘暴出现;南方地区气候潮湿,冬季温度很少会达到零度以下,但是夏季温度很高,最高温度40℃左右。

内因:自卸车用液压缸反复举升过程中,密封件往复运动,摩擦生热,液压系统温度升高,这些热量的存在都是影响密封件使用寿命的因素。考虑环境温度及液压泵的发热等因素,密封件的最高承受温度120℃应该可以满足使用要求。

5.密封件存放寿命

5.1国产密封件与进口密封件的差距

国产密封件的原材料大多数由国外进口,但是由于所添加填充剂及成型工艺的不同,国产密封件质量与进口密封件之间还存在一定差距,据有关资料统计中国密封件的主要品种有60%达到国际80年代末90年代初的质量水平,另有15%产品品种达到国际密封件产品的当代质量水平[5]

5.2密封圈存放寿命

密封件是橡胶制品, 它存在自然老化。因此要注意同一种密封件由于使用条件或保管条件不同, 自然老化期限可能大于也可能小于或等于使用磨损期限。实际使用期限是自然老化和磨损相结合的期限[6]

在油缸正常使用过程中,影响密封圈寿命的主要是空气、光、温度等不可避免因素引起的老化;在油缸存放过程中,不但有空气等因素对密封圈的影响,密封圈唇口的应力状态加快了密封圈的老化。

6.应对措施

为了能够有效地避免密封圈的老化为产品质量带来的不良影响,建议针对各种影响因素采取以下应对措施。

6.1定时更换

当油缸处于存放状态时,密封件寿命为1年左右,为了保证使用时油缸的密封可靠性,建议在油缸存放超过一定期限时更换密封圈;

6.2严格包装

要求密封件供应商对密封件采用浅色真空包装;

6.3严格保存[2,6]

A、橡胶密封件应妥善保管, 密封圈水平放置,减小唇口受力;

B、保存环境要干燥,使用前方可除去真空包装;

C、应避免阳光直射,雨雪浸淋,禁止与酸碱,油类及有机溶剂等影响胶料质量的物质接触,距离热源1m以外;

D、存放温度保持在-15~+35℃之间

E、对长期不用的应根据情况进行报废, 以免使用时因橡胶老化引发故障; 

6.4规范使用

A.装配过程中,使用锂基润滑脂;

B.清洗完,缸筒擦拭干净,保证装配时无水存在。

6.5主机厂油缸保存

A.我公司油缸出厂前外包装上均包有塑料膜,为延长密封圈的保存时间,建议用户在未使用油缸之前不要撕掉塑料膜,减少外界环境对密封圈的损害;

B.为保证产品可靠性,尽量缩短油缸的库存时间;

7.结论

由于工作条件、环境条件、润滑油等有关密封圈的使用条件不同,密封圈的寿命也不同,很难用理论推算得出密封圈的具体寿命。

油缸处于存放状态时,影响密封圈寿命的因素较正常工作情况下更复杂,偏载力、温度、空气、光等因素的影响都能引起密封件的老化,造成密封寿命的降低,所以油缸存放过程中,影响密封寿命的主要因素是密封圈的抗老化性,提高材料的抗老化性能、防止密封圈老化是延长密封圈寿命的关键。橡胶的老化问题不可避免,但是我们可以采取相应的措施延缓其老化,延长其寿命。

参考文献

1. 杨鸣波,唐志玉,中国材料工程大典[M],化学工业出版社,第七卷(下)324页

2. 那洪东.预防弹性体制品老化和损坏的措施[J],世界橡胶工业,,2009年2月,第36卷第2期;

3. 韩志宏,液压系统中橡胶密封件失效情况及预防措施[J],机械管理开发, 2008 年2 ,第23 卷第1 期;

4. [英]R.H.沃琳,密封件与密封手册[M],宋学义,张尔正译,国防工业出版社;

5. 工程机械国产密封件的技术应用与展望,网络资料

6. 史纪定,密封件使用寿命与保管,第二汽车制造厂

7. 王思静,熊金平,左禹, 橡胶老化机理与研究方法进展,合成材料老化与应用,2009年,第38卷第2期

 

作者简介

张玲,女,哈尔滨工业大学材料加工工程专业硕士研究生,工程师,2005年起从事液压缸设计。

 

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