钻机液压油缸密封圈选型研究

而钻机是露天矿开采的主要设备之一，主要用于爆破工程的穿孔，在矿石开采过程中发挥着不可替代的作用，目前国内使用的钻机大部分为全液压驱动，全液压驱动工作效率高，而且传动效率高，节约能源，但是液压油缸在现场使用中漏油现象比较明显，因此，迫切需要提出一种针对钻机工况的液压油缸密封系统，来保证液压油缸的密封可靠性，从而保证钻机的正常运行，提高工作效率，节约人力成本，减少设备故障隐患[1]。

钻机的各个液压油缸在钻机实际工作时，具体的工况都大不相同，有的需要长时间保压，有的负载冲击较大，因此，需要根据不同的工况，选择不用的液压油缸密封圈，这样才能保证油缸的密封可靠性。

1钻机液压油缸密封圈选型
液压钻机的油缸主要包括加压提升油缸、支腿油缸、钻架举升油缸、及钻架部分辅助动作油缸等[2]。

现市场的钻机生产厂家油缸大多委托给专业的液压油缸厂家进行制造，但是液压油缸厂家在制造过程中又对钻机的实际使用工况不是很了解，因此导致很多专业的液压油缸厂家生产出来的液压缸在钻机
DOI:10.13235/ki.ltcm.2019.06.005
引用格式：姜鹏，李扬，王占武，等.钻机液压油缸密封圈选型研究［J］.露天采矿技术，2019，34（6）：14-16.
钻机液压油缸密封圈选型研究
姜鹏1，李扬2，王占武2，李壮3，姚瑶4
（1.辽宁瀚石机械制造有限公司工程技术研究中心，辽宁阜新123000；2.辽宁北辰液压气动有限公司技术部，辽宁阜新123000；3.鞍山精准光学扫描技术有限公司技术部，辽宁鞍山114051；4.辽宁科技大学机械工程与自动化学院，
辽宁鞍山114051）
摘要：为了提高液压钻机油缸密封的工作可靠性，提高钻机的工作效率，根据对钻机工况的研
究，结合露天矿开采的实际情况，对钻机各个油缸密封圈的选用进行分析，提出了一种适合钻机
液压油缸的可靠密封系统。

此类密封系统选用了常归的UHS系列的唇形密封圈，具有良好保压
性能的DAS系列密封圈，具有抗冲击性能的斯特封，以及适应负载复杂变化的V型组合系列密
封圈。

最后进行样机的试制与测试，结果表明，该套油缸密封系统具有可靠性、优越性。

关键词：液压缸密封圈;DAS密封圈;UHS密封圈;斯特封;V形组合密封圈
中图分类号：TD421.3文献标志码：A文章编号：1671-9816（2019）06-0014-03 Research on selection type of hydraulic cylinder seal ring of drilling rig
JIANG Peng1，LI Yang2，WANG Zhanwu2，LI Zhuang3，YAO Yao4
(1.Liaoning Hanshi Machinery Manufacturing Co.,Ltd.，Fuxin123000,China；2.Liaoning Beichen Hydraulic Pneumatic Co.,Ltd.，
Fuxin123000,China；3.Anshan Precision Optical Scanning Technology Co.,Ltd.，Anshan114051,China；
4.University of Science and Technology Liaoning，Anshan114051,China)
Abstract：In order to improve the work reliability of the hydraulic drill cylinder seal,improve the work efficiency of drilling rig, according to the study of drilling conditions,combining with the actual situation of the open-pit mining,we analyzes the selection of drill each cylinder seal,and proposes a reliable sealing system suitable for drilling rig hydraulic oil cylinder.The sealing system uses UHS series of lip seal,with good pressure maintaining DAS series seal,the performance of shock resistance of the seal,and to adapt to changes in load and complex combination of V series sealing ring in the end by prototype trial-manufacture and testing. The results show that this set of cylinder sealing system has reliability and advantages.
Key words：hydraulic cylinder seal ring;DAS seal ring;UHS seal ring;the stern seal;V-shaped combination seal ring
收稿日期：2019-05-18
作者简介：姜鹏（1991—），男，辽宁阜新人，工程师，
本科，2014年毕业于辽宁科技大学机械工程与自动化学
院，现主要从事矿山机械液压系统方面的设计与研究。

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使用过程中常常出现活塞杆漏油问题，甚至出现活塞保压效果不好。

运行不平稳等问题。

针对钻机不同油缸的具体工况分别分析，提出合理可靠的密封形式，并考虑经济、维修、互换性等因素的影响，提出了一套可靠的针对液压钻机的油缸密封系统。

1.1加压提升油缸密封圈
钻机加压提升油缸是钻机工作中最为重要的液压执行元件之一，主要负责带动钻机动力头的上下移动，实现打孔的动作。

在钻机在实际工作时，主要是进行长时间的打孔工作，因此，加压提升油缸使用最为频繁，同时加压提升油缸运行速度不均匀，当钻杆在最顶部时候，钻杆快速移动到底部，做打孔准备，此时，加压提升油缸运行速度较快，当打孔时候，运行速度较慢，而且，打孔液压阀会频繁的换向，控制油缸上下运动，带动钻杆来回运动。

因此，加压提升油缸与其他油缸相比，运动速度快，承受的液压冲击较大。

但是加压提升油缸在使用中都是垂直方向运动，几乎不承受径向方向力。

故加压提升油缸在选择时候，需考虑液压冲击与油缸运行速度的要求，但无需考虑受径向力影响的问题。

综合以上分析，针对现场反馈的加压提升油缸活塞杆经常漏油现象问题，加压提升油缸活塞杆密封处选用斯特封密封圈与UHS密封圈组合使用，斯特封是由一个低摩擦的聚四氟乙烯矩形密封环和一个橡胶弹性体（O型圈）组成[2]，因此斯特封具有良好的耐磨性，适用于快速运动的液压油缸中，而且斯特封耐磨环具有很好的抗冲击性。

在具体设计时，将斯特封作为第1道密封圈使用，不但起到密封作用，同时也能起到阻断冲击的作用。

由于斯特封的O型圈的压缩量有限，当长时间使用后，斯特封的耐磨环发生磨损后，有可能会产生活塞杆漏油现象，所以，在斯特封后加油UHS密封圈，当长时间使用后，斯特封发生损坏或磨损时，UHS密封圈仍然可以起到密封的作用，而且，此时斯特封仍可以起到缓冲的作用，减少液压冲击对UHS密封圈的影响。

使活塞杆的密封系统更加可靠。

加压提升油缸活塞密封选用传统的UHS密封圈，因为UHS密封圈目前在市场占有率较高，价格低廉，通用性与互换性较好，维修更换方便。

综上所述，针对现场反馈的活塞杆易漏油的问题，加压提升油缸的密封形式确定为活塞密封选用常规的UHS密封圈，活塞杆密封选用UHS密封与斯特封密封组合使用，保证活塞杆密封的可靠性，加压提升油缸密封形式如图1。

1.2支腿油缸密封圈
支腿油缸主要是在钻机工作时候，起到支撑钻机，保证钻机在不同角度地面时，都能水平方向打孔，同时，使钻机在打孔更加平稳。

支腿油缸动作频率非常低，但是，在将钻机支起时候，支腿油缸要支撑的平稳可靠，不能发生钻机下落现象，因此，对支腿油缸的保压性能要求较高。

支腿油缸的活塞密封选用DAS系列密封圈，DAS组合密封圈是一种双向作用，往复运动的活塞专用的密封圈，其结构紧凑，集多种功能于一身[3]。

该密封件的核心是齿状的耐磨损橡胶弹性体，起主要密封作用，配1对抗挤出挡环来保护主密封体，用1对高承载的耐磨环来保护组合密封圈的使用寿命，具有良好的保压效果，而且主密封体不会扭曲和翻转，密封性能可靠。

由于支腿油缸主要使用的就是保压功能，因此，活塞杆密封，仍采用穿传统的UHS 密封形式。

支腿油缸的密封形式如图2。

1.3钻架举升油缸密封圈
钻架举升油缸主要负责钻机的举起与落下过程，钻架从0°举起到90°过程中，油缸受力时刻都在发生变换，举升油缸的工况最为复杂，而且钻架在举起和降落过程中，钻架举升油缸还有可能受径向力。

因此，钻机举升油缸的密封在选择时，不但要考虑液压冲击，同时还要考虑径向力的问题。

钻架举升油缸较大，并且安装在钻架上，设备一旦出厂，在现场拆卸钻架举升油缸及其困难，因此，钻架举升油缸在选
图1加压提升油缸密封形式
图2支腿油缸密封形
式
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择时候，还应具有长使用寿命的特点。

考虑以上所述工况，钻架举升油缸活塞杆和活塞密封均采用V形组合密封圈。

V形组合密封圈适用于垂直或水平的往复式运动油缸，也可用于径向力的倾斜油缸，大型重载有液压冲击的密封场合，由顶环（压力环）、V形环、底还组成，具有承受较大径向力及频繁的压力波动等特点[4]。

而且V形组合密封圈具有长使用寿命特点，可以保证长时间不更换密封圈。

钻机举升油缸的密封结构如图3。

1.4辅助动作油缸密封圈
液压钻机除了上述的加压提升油缸、支腿油缸、钻架举升油缸外，还有一些辅助动作油缸，如收尘器油缸以及钻架上储杆器、栏杆器等辅助油缸。

辅助油缸在钻机液压系统中工作评率都较低，而且液压缸的缸径较小，大多都是缸径在63mm以下的小液压缸，且行程较短，所以，辅助油缸拆卸非常方便，辅助油缸的工作压力都比较低，因此，辅助油缸的密封圈在选用时，要考虑在压力较低时的密封应能，同时，要考虑经济性，避免选用价格过高的密封圈[5]，因辅助油缸数量较多，为了减少密封圈的种类，减少现场液压密封圈备件的种类与库存，辅助油缸建议选用市场上占有率最高的UHS系列密封圈。

UHS密封圈是单向作用密封，由于其密封唇具有非对称结构，有预压紧力，以及材料为聚氨酯具有高耐磨性，使用寿命长[6]，即使在低压或零压情况下，也能获得良好的密封效果。

辅助油缸的密封形式如图4。

2样机的制造与使用
1）钻机的制造。

结合钻机实际作业要求，完成了钻机液压油缸的分析和设计，对液压油缸进行了制造并安装[7]，安装后的钻机整机如图5。

2）钻机的使用。

全液压驱动钻机制造完成后，在露天矿现场进行了长时间的试验，在实际使用中，加压提升油缸活塞杆漏油现象明显减少；钻架举升油缸，在液压冲击与受径向载荷的工况下，油缸密封系统可靠，液压缸活塞内部无泄压现象，钻机举升过程中运行平稳，活塞杆不漏油现象；支腿油缸在保压效果上十分明显，不但钻机在工作时无明显降落现象，当将钻机举起保压24h后，举升油缸的下落量仍不到1mm，由此可见支腿油缸保压效果的可靠性；其余辅助油缸，通用UHS密封圈后，使用寿命提高，密封圈种类减少，维修更换起来更加方便。

3结语
通过针对钻机不同油缸，采用不同密封圈设计，在钻机上应用大获成功，减少了钻机液压缸密封系统故障，为钻机提供了可靠的性能。

大大减少了设备在液压缸方面维修的成本，同时减少了设备维修时间，增加了工作效率，使现场经济效益明显提高。

参考文献：
［1］霍进刚.牙轮钻机的液压系统在闭式回路中的应用［J］.液压与气动，2011.（11）：36.
［2］周勇.卧式加工中心旋转工作台中心气液通道设计
图3钻架举升油缸密封结构
图4辅助油缸密封形式图5
钻机整机
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阶底部距离4m，当爆轰波传播至炮孔底部时，已经达到稳定传播状态，爆轰波能量稳定，相比工况一，其作用周边岩体的能量更大，对岩体破碎范围扩大更加有力，并对底部岩体的破坏作用更强。

根据以上爆轰气体和冲击波/应力波作用的分析，可以得到，在相同装药结构和孔网参数条件下，仅改变起爆点位置，采用如工况一的反向起爆，孔底炸药能量利用不充分，其破坏台阶底部岩体能力受限，起到保护底板作用的同时，但也容易产生根底；适当提高起爆点位置，炸药能量能更充分作用于台阶底部岩体，对清理根底有利，但同时对底板的破坏范围也相应扩大。

分析上部大块:计算结果显示，①工况一（图3（a）），在上部将形成3部分大块岩体，占爆破方量
2.45%，最大1块岩体单方向最大尺寸1.6m；②工况二（图3（b））的上部有5个大块岩体，占爆破方量2.79%，最大1块单方向最大尺寸2m。

以上数据说明起爆点位置上移，台阶上部大块数量和占比均增加。

这表明起爆点位置也影响大块方量占比。

起爆点上部炸药主要对起爆点所在平面上部岩体的破碎起主要作用，因为孔内填塞段不能提供破岩能量，因此当起爆点位置较高时，平均作用于单方岩体的炸药能量减少，因此台阶上部岩体破碎难度增加，当起爆点位置较低时，平均作用于单方岩体的炸药能量是较多的，因此台阶上部岩体更容易破碎。

对根底和大块的分析结果表明，起爆点位置影响炸药能量在岩体中的分布，并影响大块岩石与爆破根底的方量占比。

适当提高起爆点位置，能够扩大岩体破碎范围，对增强台阶底部破岩有利，可以减少爆破根底；降低起爆点位置，作用于台阶上部岩体的能量更加充分，能增强台阶上部岩体破碎，可以减少大块岩石占比，但炮孔底部炸药受等容爆轰影响，破碎台阶底部岩体能量有限，不利于清除爆破根底。

3结论
1）采用反向起爆，起爆点位于炮孔底部，起爆点
位置以下炸药等容爆轰，直接影响岩体内冲击波/应力波强度，生成冲击波/应力波强度低于稳定爆轰状态，减弱了破岩能力，使台阶底部岩体破碎范围相对较小，有利于保护底板，但同时容易产生根底；作用台阶上部岩体时，爆轰波在稳定爆轰状态持续时间长，相应地，作用到岩体内部的冲击波/应力波强度达到最大，其作用岩体时，单方岩体平均分得的炸药能量值达到最大，有利于岩体充分破碎。

2）起爆点位置抬高，位于起爆点以下药柱爆轰持续时间增加，达到稳定爆轰状态的炸药占比增加，爆轰波传播至炮孔底部发生反射，孔底压力增强2.4倍，增强了底部岩体破碎效果，扩大了破岩范围，对减少爆破根底有利；对于上部岩体，平均单方岩体分得的炸药能量减少，岩体破碎能力降低，更容易形成大块。

3）工程施工中，结合需求找到影响孔网参数调整的最主要因素（根底或大块），有针对性地调整起爆位置，改善爆破质量。

参考文献
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【责任编辑：张东旭】
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【责任编辑：张东旭】
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