柱塞式液压缸密封系统的分析与应用

2011 年第 4 期
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液压与气动
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PLC 在 抛光 机气 动系 统 中的 应用
杨良根
The application of PLC for the polishing machine pneumatic system
1． 防尘圈 2 ～ 3． 密封圈 4． 导向环 5． 柱塞座 6． 柱塞缸体 7． 柱塞
文献标识码: B
4858 ( 2011 ) 04004503 文章编号: 10001． 2 柱塞缸产生泄漏因素
现有柱塞缸 密 封系 统 的结构 ( 以 直 径 18 mm ～ 25 mm 为例) 如图 1 所示。 主要 由 柱 塞、 防 尘 圈、 导 O 形 密 封 圈、 向环、 柱 塞 座 等 组成。 主要 是 依 靠 O 形 密封圈来实现系统的密封。
1． 柱塞 2． 防尘圈 3 、 5． 导向环 4 、 8 ～ 9． 密封圈 6． 螺栓 7． 柱塞座 10． 柱塞缸体
图3
柱塞缸串联密封结构图
两个( 或多个) 密封件串联 安 装 在不 同 的 沟 槽 里， 这样 构成的密封系统称为串联密封系统。在使用中所依据 的理论是对两类密封活动的综合运用。从高压油侧向 密封件计起， 除最后 一 级 密 封 件 外 的其 余 前 面 的 密 封 件实行第二类密封活动， 逐级密封。多数情况下， 两级 密封已经能够满足设计和使用的要求。 在两级密封件的 串联 密 封系 统 中， 第一级密封件 主要作用是抵抗高 压油的 冲 击， 使 到 达 第 二级 密 封 件
图1
柱塞缸结构简图
1 ) 往复运动时的密封原理 O 形密封圈在 往复 运 动 滑 移 面 上的 接 触 情况， 如 图 2 所示。此时 O 形 密 封 圈 的动 密 封 作用 主要 还 是 依靠其预压缩和加 压 后 作用于 耦 合 面 上的 接 触 应力， 且由于 O 形 密 封 圈 自身的 弹 性 而 具 有 磨损 后 自动 补 偿的能力。当用于液体介质密封时， 由于液体的压力、 粘度及运动速度等因 素 的作用， 沿滑移面和密封件间 形成一层粘附力极强的边界 层 液体 膜，如图 2a 所示。 这层液体 薄 膜 始 终 存 在 着， 它 亦 起 一 定 的 密 封 作用。 但当滑移面向外伸出时，液体膜随之一起探出，如图
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柱塞 式液 压 缸 密封系 统 的分析 与 应用
杨政辉
Analysis and application of plunger hydraulic cylinder seal system
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参考文献: ［ 1］ 成大先． 机械设计手册( 第 5 版) ［ M］ ． 北京: 化 学工 业 出 2008． 版社， ［ 2］ 王积伟， ． 章 宏甲， 黄 宣． 液压与 气 压 传 动( 第 2 版) ［M］ 2008． 北京: 机械工业出版社， ［ 3］ 闻邦椿． 机械设计手册( 第 5 版) ［ M］ ． 北京: 化 学工 业 出 2010． 版社， ［ 4］ 杨顺根， M］ ． 白仲元． 橡胶 工 业手册 ( 修 订 版 第 9 分 册) ［ 1994． 北京: 化学工业出版社， ［ 5］ 刘显贵， M］ ． 北京: 北 涂 小 华． 机 械 设计 基 础 ( 第 1 版) ［ 2007． 京理工大学出版社，
YANG Zhenghui
( 益阳橡胶塑料机械集团有限公司，湖南 益阳 413000 )
要: 该文以钢丝绳芯输送带平板硫化机生产线中柱塞缸密封系统设计为实例， 分析了柱塞缸往复直 线运动时的密封原理， 说明了柱塞缸密封系统的设计 要求 和特 点， 使 用 中取 得 了不 错 的 效果， 具 有一定的推 摘 广价值。 关键词: 柱塞液压缸; 密封系统; 结构分析; 设计应用 中图分类号: TH137． 5 前言 在钢丝绳芯输送带平板硫化机生产线中柱塞式液 压缸( 以下简称柱塞缸) 使 用 非 常 广泛， 柱塞直径小到 18 mm， 大 到 630 mm 有 十 几 种 规 格， 柱 塞 缸 数 量 也相 ， 当多 比如张力站装置中就有上百个小柱塞缸， 平板硫 化机主机一般也有 14 ～ 16 个， 直 径 大 到 630 mm 柱 塞 缸。因此， 柱塞缸质 量的优 劣 直 接 关 系到 钢 丝 绳 芯 输 送带平板硫化机生产线的正常运行。 柱塞缸常见的故障 是 泄 漏， 工作 介 质越 过 容腔 边 界向外界流出。这样不仅造成工作介质浪费和工作环 境污染， 甚至引发 设 备 操 作 失 灵 或 人 身 事故。 以 前 解 决这一故障是依靠 定期 更 换 密 封 件， 但 往往 更 换 没有 多久， 又出现密封不好， 柱塞带油现象。 众所周知， 造成泄漏的原因是多方面的， 不仅涉及 到密封系统的结构， 而且 涉 及 密 封 件 材 料 的 选取 和 质 量、 柱塞缸密封部位的加工精度、 工作介质的性能等因 素。本文仅就柱塞缸密封系统的结构设计加以分析。 1 1． 1 柱塞缸密封的分析 柱塞缸对密封材料要求
的压力油减少和缓 速， 从 而 使 第 二级 密 封 件 的 密 封效 果充分发挥， 因此第一级密封件也常称为缓冲密封件。 第二级密封件的工作压力 较 低， 主要 是 将 通 过 第 一 级 密封的较厚的油膜 减 薄 到 指 定 的 要 求， 对 串联 系 统 的 密封起到主要的作用， 常称为主密封件。 应用串联密封系 统， 要 求 缓冲 密 封 件具 有 单 向阀 即正向密封， 反 向 回 油， 从 而可以 将两级 密 封 件 功能， 之间的压力油卸载 到 柱 塞 缸 中， 避免 在 缓冲 密 封 件 和 主密封件之间产生 困 压。 否则， 困压将会向柱塞缸内 侧方向推挤缓冲密封件， 导致缓冲密封件因承受背压， 而被挤入到柱塞与 柱 塞 座 的间 隙 中， 造成挤伤或过度 磨损而失效。 2． 2 柱塞缸改造后的结构形式 将原有柱塞缸密封系统的结构重新设计， 如图 3 所 示。将两种功能不同的密封件 4 和密封件 8 串联使用。 即采用两级密封的串联密封系统， 这样柱塞缸既使在运 行频率高、 长期工作时的条件下， 也可以满足使用要求。
柱塞在 导 向 套 中 滑 动 时， 设计 采 用 H8 / h7 或 H8 / f7 配合。太紧了， 摩擦 力大， 太 松 了， 容易引起卡滞现 象和单边磨损。其圆度和圆柱度公差不大于直径公差 之半。柱塞的外圆粗糙度 R a 值一般为 0． 1 ～ 0． 3 μm。 为了提高耐磨性和防锈性， 柱塞表面需进行镀铬处理， 0． 03 ～ 0． 05 mm ， 镀层厚 并进行抛光或磨削加工。 2． 3 柱塞缸密封件的选择 V 型、 主密封件的品种比较多， 主要有 Yx 型、 组合
YANG Lianggen
( 江西制造职业技术学院，江西 南昌 330095 )
要: 为了能够提高抛光机抛光质量， 深入地研究了 PLC 在 抛光 机 气动系 统 中 的 应 用。 首先， 研究了 PLC 控制模型的建立， 分别研究了控制对象和控制算法; 接 着， 进行了 抛光 机 气动系 统 的设计; 最后， 分别提 摘 出 PLC 控制系统的硬件和软件设计方法。 关键词: PLC ; 抛光机; 气动系统 中图分类号: TH138 文献标识码: B 4858 ( 2011 ) 04004703 文章编号: 1000两项技术在抛光机中进行合理的应用就可以提高工件 抛光质量。由气动系 统 控制 的 抛 光 机如图 1 所示， 从 图 1 中能够看出，如果想控制 抛 光 带 和 工 件之 间的压 力， 必须控制气缸的压力。 对于气动系统控制， 特别是在小流量的条件下， 控 制具有非线性的特点， 并且具有较大的不确定性， 这是 由于气体具有粘性和可压缩性的缘故。另外气动系统
1020 收稿日期: 2010作者简介: 杨政辉( 1963 —) ， 男， 湖南益阳人， 工程 师， 主要从 事橡胶机械产品的设计与开发工作。
本生产线设备所处的工作环境恶劣， 高压高温， 温 40 ℃ ， ， 度高达 左右 运 行时 间 长 对 柱 塞 缸 密 封 材 料 提 出了严格的要求: ( 1 ) 材料密实， 压缩性和复原性好， 永久变形小; ( 2 ) 温度适应好， 高 温 下 不 软 化、 不 分解， 低温下 不硬化， 不脆裂; ( 3 ) 摩擦因数 小， 耐 磨 性好， 抗 腐蚀 性能好， 长期 工作时其体积和硬度变化小; ( 4 ) 与密封面贴合的柔软性和弹性好。
0820 收稿日期: 2010作者简介: 杨良根( 1961 —) ， 男， 江西南昌人， 工学学 士， 副教 授， 长期从事数控技术、 模具设计与加 工的 教 学与 管 理工作， 研 究方向为数控技术及应用。
抛光机在对工 件 进行 抛 光 的 过 程 中， 抛光带和工 件之间应该保持适当的压力， 这个压力即不能太大， 同 容 时也不要过小。主要 原因是 当 压力 过 大的 情况下， 易导致抛光带的寿命 下降， 严重可能会使抛光带断裂 失效; 压力如果太小， 就 无 法 保证 工 件 的 抛 光 精 度， 从 而会造成抛光质 量的 下降。 所 以， 对抛光带和工件的 压力进行精度的控制是十分重要的。 气压传动属于一种能够实现工业自动化的现代化 技术， 具有易于推广的特点， 气压系统的动力传递介质 是空气， 因 此， 利 用 气 动 系 统 对 环 境 造 成 的污染 非 常 小， 而且容易在工程 中 实 现。 PLC 这 种自动 控制 产 品 具有功能强大、 编程简单、 可 靠 性 较 高 的特点， 因 此这 M2 型 特 康 泛 塞 密 封 和 佐康 雷 姆 封 等。 选 择 式 U 型、 缓冲密封件时， 主要考虑 其 反 向 回 油的性能。 主要有 T 型特康格来圈、 K 型特康斯 特 封、 左 康 雷 姆 封 等。 防 DA17 防 尘 圈 等。 双 尘圈主要有 2 型 Turcon 防 尘 圈、 唇防尘圈的密封唇也可以起到辅助密封的作用。 2． 4 提供几种串联密封的应用方案 ( 1 ) 2 型特康防尘圈 + K 型 特 康斯 特 封 + 左 康 雷
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2011 年第 4 期

图2
O 形密封圈的动密封原理图
2b 所示。而当滑移面缩回时， 液体 膜 则 被 密 封 件 阻留 于外侧。随着滑移面 往复 运 动 次 数 的 增加， 阻留 于 密 封件外侧的液体膜日渐增厚， 最后形成液滴， 从滑移面 滴下， 如图 2c 所示。 2 ) 柱塞缸柱塞带油使用情况 柱塞带油的使用情况， 是运动频率的提高、 运行周 期的延长， 因而加速了密封系统的磨损和疲劳， 且降低 了其自动补偿能力， 导 致 其 使 用 寿命 的 相 对 缩 短。 基 于上述原因， 工作时外 露 于 柱 塞 缸 的 柱 塞 表 面 油 膜 过 厚， 加上油膜不能被全部带回液压缸内， 经累积出现环 状油 渍 ， 直至流落。 柱 塞 缸 频 繁 工作 一 段 时 间 后 容 易 产生泄漏现象。 在现有的密封结构中， 密封 设计 是 一类 密 封， 即将 柱塞表面的油膜减薄到接近吸附膜的厚度， 故而要求密 封唇口紧密地贴合柱塞表面， 所以就造成密封系统的摩 从而加速密封件的磨损， 缩短密封寿命。 擦力加大， 现有柱塞 缸 密 封系 统 均 采 用简 洁 的单 一 密 封 结 构， 这在过去整个生产线运行时间短的情况下， 能较好 地满足使用要求。但近 年 来， 随着 国 家 经 济 建 设 的 快 速发展及加大对基本建设的投入， 胶带行业迅猛发展， 用户对生产钢丝绳 芯 输 送 带 的 设 备 要 求 越来越 高， 这 ， 使得设备在技术上不 断 地 更 新 换 代 整 个 机 组 的 使 用 频率不断提高。在这 种 情况下， 这 种 经 典 的 密 封 结构 越来越显示出它的不足之处， 已经不能满足使用要求。 2 2． 1 串联密封在柱塞缸中的应用 串联密封结构的密封原理 为了增强密封效果， 通常在柱塞往复运动方向， 将