大型国产气动Y型密封圈在机械压力机上的应用

２０１６年５月第４１卷第５期润滑与密封ＬＵＢＲＩＣＡＴＩＯＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＭａｙ􀆰２０１６Ｖｏｌ􀆰４１Ｎｏ􀆰５ＤＯＩ：１０􀆰３９６９／ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰０２５４－０１５０􀆰２０１６􀆰０５􀆰０２９∗基金项目：国家科技重大专项（２０１３ＺＸ０４０１００２１）．收稿日期：２０１５－０８－０４作者简介：曹艳科（１９８２—），男，硕士研究生，从事机械压力机的设计开发．Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｃａｏｙａｎｋｅ＠１６３􀆰ｃｏｍ．大型国产气动Ｙ型密封圈在机械压力机上的应用∗曹艳科　王浩先　王　旭　李　文（济南二机床集团有限公司　山东济南２５００２２）􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕摘要：对机械压力机关键部件如平衡器、气动拉伸垫、离合器和制动器等的工况及其对大型气动密封圈的要求进行分析；通过分析国产大型Ｙ型密封圈的密封性能和安装要求，对机械压力机的关键部件的密封结构进行优化，并通过在机械压力机上的实际运行验证国产大型气动Ｙ型密封圈的可靠性。关键词：Ｙ型密封圈；密封性能；机械压力机中图分类号：ＴＢ４２　文献标志码：Ｂ　文章编号：０２５４－０１５０（２０１６）０５－１３９－０３􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕􀤕ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＤｏｍｅｓｔｉｃＬａｒｇｅＰｎｅｕｍａｔｉｃＹ⁃ｒｉｎｇｓｉｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｅｓｓＣＡＯＹａｎｋｅ　ＷＡＮＧＨａｏｘｉａｎ　ＷＡＮＧＸｕ　ＬＩＷｅｎ（ＪＩＥＲＭａｃｈｉｎｅ⁃ＴｏｏｌＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＪｉｎａｎＳｈａｎｄｏｎｇ２５００２２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｗｏｒｋａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｅｓｓｓｕｃｈａｓ，ｔｈｅｂａｌａｎｃｅｒ，ｐｎｅｕｍａｔｉｃｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇｐａｄ，ｃｌｕｔｃｈａｎｄｂｒａｋｅｓ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｉｒｓｅａｌｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｔｏｌａｒｇｅｐｎｅｕｍａｔｉｃＹｓｅａｌｉｎｇｒｉｎｇｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔａｎｄｓｅａｌｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｄｏｍｅｓｔｉｃｌａｒｇｅｐｎｅｕｍａｔｉｃＹ⁃ｒｉｎｇｓ，ｔｈｅｓｅａｌｓｔｒｕｃ⁃ｔｕｒｅｏｆｔｈｅｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｅｓｓｗｅｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．ＴｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｌａｒｇｅＹｓｅａｌｉｎｇｒｉｎｇｓｉｓｆｕｒ⁃ｔｈｅｒｖｅｒｉｆｉｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｉｒｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｅｓｓｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｙ⁃ｒｉｎｇ；ｓｅａｌｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｅｓｓ　机械压力机是板料冲压生产的主要设备，能完成冲裁、落料、切边、弯曲和拉延等多种成形工艺，广泛应用于汽车、电子、电器、航空航天等行业领域。在机械压力机中，工作介质密封主要用于液态与气态流体的密封，其作用是保持介质工作压力，维持能量传递或转换，防止工作介质从密封偶合面越界流出，导致泄漏，避免机械压力机丧失局部或整体工作性能。因此，密封效果极大地影响着机械压力机的工作性能［１］。Ｙ型密封圈是一种具有自封作用的密封圈，靠内、外唇的过盈量预压紧密封副偶合面，产生一定量的预应力，阻塞泄漏通道从而达到密封的作用；密封面间的接触压力随着介质压力的大小而变化，既能保证密封的效果又不至于产生过大的摩擦力［２－４］。大型气动Ｙ型密封圈作为常用的往复密封件，广泛用于机械压力机的平衡器、制动器、气动拉伸垫等多个关键功能部件中，其可靠性直接影响着整个汽车冲压线的可靠性和安全性［５－６］，以前全部由进口品牌垄断。本文作者通过国产大型气动Ｙ型密封圈在机械压力机部件中的应用，结合装配及设备运行情况，对其可靠性进行分析验证。１　Ｙ型密封圈的性能及密封原理Ｙ型密封圈是一种典型的唇形密封圈，适用工作压力小于４０ＭＰａ，工作温度为－３０～１００℃，其使用寿命高于Ｏ型密封圈，应用于对密封综合性能要求高的活塞和活塞杆的密封。Ｙ型密封圈具有极好的静态和动态密封性能，不仅摩擦阻力小、运动平稳，而且耐压性能好、使用压力范围广。Ｙ型密封圈依靠其张开的唇边贴于密封副耦合面，无介质压力时，靠唇边的变形产生很小的接触压力。在密封的情况下，与密封介质接触的每一点上均有与介质压力相等的法向压力，所以唇形圈底部将受到轴向压缩，唇部受到周向压缩，与密封面接触变宽，同时接触应力增加［７－８］。当介质压力升高时，接触压力的分布形式和大小进一步改变，唇部与密封面配合更紧密。当耦合件以工作速度相对运动时，在密封唇与耦合面间形成一层密封液膜，从而产生密封作用。密封唇边磨损后，由于介质压力的作用而具有一定的自动补偿能力。２　国产Ｙ型密封圈在机械压力机上的应用２􀆰１　平衡器用密封圈的工况分析平衡器在机械压力机工作过程中滑块向下运动时，其下腔的压缩空气阻止曲柄滑块机构因自重而快速下落；滑块向上运动时，下腔的压缩空气辅助曲柄滑块机构提升，如图１所示。平衡器通过压缩空气平衡所有类似连杆、滑块、模具等运动件的重量，使整个传动系统理论上不受重力的影响，消除换向时因为间隙变化产生的冲击，提高工作平稳性［９］。图１　平衡器结构图Ｆｉｇ１　Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｓｓｅｍｂｌｅｏｆｂａｌａｎｃｅｒ通过机械压力机的工作要求，分析出平衡器的工况参数，如表１所示。表１　平衡器的工况参数Ｔａｂｌｅ１　Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｂａｌａｎｃｅｒ行程ｓ／ｍｍ工作介质工作压力ｐ／ＭＰａ工作温度ｔ／℃最大速度ｖ／（ｍ·ｓ－１）润滑方式５００～１４００压缩空气０．３５～０．８５～５０１．８间歇润滑２􀆰２　气动拉伸垫用密封圈的工况分析机械压力机进行拉延工艺过程中，拉伸垫通过贮气罐内的压缩空气推动活塞，使顶冠上移至拉伸垫行程最上端，滑块向下运行时，迫使模具内的顶料杆推动顶冠随滑块向下移动，获得对拉延件的压边力，避免产生皱纹；滑块向上回程时，拉伸垫顶冠随着向上运行，通过顶料杆产生从下模具内退出冲压件的力，如图２所示。图２　拉伸垫结构图Ｆｉｇ２　Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｓｓｅｍｂｌｅｏｆｄｉｅｃｕｓｈｉｏｎ通过机械压力机的工作要求，分析出气动拉伸垫的工况参数，如表２所示。表２　拉伸垫的工况参数Ｔａｂｌｅ２　Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｄｉｅｃｕｓｈｉｏｎ行程ｓ／ｍｍ工作介质工作压力ｐ／ＭＰａ工作温度ｔ／℃最大速度ｖ／（ｍ·ｓ－１）润滑方式１００～３５０压缩空气０．３５～０．８５～５００．５间歇润滑２􀆰３　离合器、制动器用密封圈的工况分析离合器靠压缩空气作用接合，靠弹簧力作用脱开。压缩空气作用在活塞上，克服弹簧力，使活塞压紧摩擦块，靠摩擦力产生扭矩，在制动器脱开时使飞轮与高速轴接合，驱动滑块往复运动；压缩空气排气后，弹簧力使活塞与摩擦块脱开，使飞轮与高速轴脱开，如图３所示。图３　离合器结构图Ｆｉｇ３　Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｓｓｅｍｂｌｅｏｆｃｌｕｔｃｈ制动器的制动力由弹簧提供，靠压缩空气作用脱开。在弹簧力作用下，压紧板压紧摩擦块，靠摩擦力产生制动扭矩，在离合器脱开时迅速将滑块运动停止；压缩空气通过活塞克服弹簧力，使压紧板与摩擦块脱开，使制动器停止制动。通过机械压力机的工作要求，分析出离合器、制动器的工况参数，如表３所示。表３　离合器、制动器的工况参数Ｔａｂｌｅ３　Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｌｕｔｃｈａｎｄｂｒａｋｅ行程ｓ／ｍｍ工作介质工作压力ｐ／ＭＰａ工作温度ｔ／℃速度ｖ／（ｍ·ｓ－１）润滑方式５压缩空气０．３５～０．８５～７０微动油雾润滑０４１润滑与密封第４１卷２􀆰４　国产Ｙ型密封圈的安装设计机械压力机中常用的大型Ｙ型密封圈材料一般采用丁腈橡胶、聚氨酯，其中平衡器、拉伸垫、离合器、制动器等部件上的气动密封圈采用丁腈橡胶，连接器等高压缸上的密封圈采用聚氨酯。聚氨酯材质的密封性能、使用寿命及不采用挡圈时的工作压力极限相对好，但安装相对困难。通过分析国产大型Ｙ型密封圈的密封性能及安装要求，对平衡器的密封结构进行了优化改进，如图４所示。图４　平衡器的密封结构图Ｆｉｇ４　Ｔｈｅｓｅａｌｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｂａｌａｎｃｅｒ国产Ｙ型密封圈在装配过程中没有发现问题，与同类型进口密封圈相比，安装相对方便，整个装配过程顺利，如图５所示。图５　机械压力机设计模型Ｆｉｇ５　Ｄｅｓｉｇｎｍｏｄｅｌｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｅｓｓ３　国产Ｙ型密封圈的性能验证济南二机床集团生产的机械压力机，其平衡器、拉伸垫、离合器、制动器等部件目前已经采用国产大型气动Ｙ型密封圈。设备自２０１３年１２月在某汽车零部件公司按照两大班制，每天工作２０ｈ投入生产，设备运行基本状况如表４所示。目前为止，平衡器的活塞在０􀆰３５～０􀆰４５ＭＰａ工作压力下，按照图６所示的行程、速度运行约４００天，压力机工作２６０万次，Ｙ型密封圈随活塞累计达到约４２００ｋｍ的行程。通过跟踪分析，Ｙ型密封圈在设备上应用情况正常，未发现不保压或者泄漏现象。表４　设备运行基本状况Ｔａｂｌｅ４　Ｔｈｅｂａｓｉｃｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎ每天班次设备工作次数／ｓｐｍ生产节拍／ｓｐｍ设备运行模式速度大班８～１６５～７单次模式微动图６　平衡器活塞的行程、速度曲线图Ｆｉｇ６　Ｔｈｅｓｔｒｏｋｅａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｃｕｒｖｅｏｆｂａｌａｎｃｅｒｐｉｓｔｏｎ４　结论介绍了国产大型气动Ｙ型密封圈在机械压力机关键功能部件上的应用，通过试验验证了其密封性能完全满足工作要求，能够替代进口产品，也相应降低了成本，为今后相关大型装备的密封改进和整体结构的优化设计提供了依据。参考文献【１】胡明杰．压力机密封泄漏原因分析及预防措施［Ｊ］．锻压装备与制造技术，２０１３，４８（３）：３８－４０．ＨＵＭＪ．Ｒｅａｓｏｎａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎｆｏｒｓｅａｌｌｅａｋｉｎｇｏｆｐｒｅｓｓ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＭｅｔａｌｆｏｒｍｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈ⁃ｎｏｌｏｇｙ，２０１３，４８（３）：３８－４０．【２】李斌，蒋小丽．Ｙ形密封圈的有限元分析及结构改进［Ｊ］．润滑与密封，２０１４，３９（６）：１１２－１１５．ＬＩＢ，ＪＩＡＮＧＸＬ．Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｍｐｒｏｖｅ⁃ｍｅｎｔｏｆＹｓｅａｌｉｎｇｒｉｎｇ［Ｊ］．ＬｕｂｒｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４，３９（６）：１１２－１１５．（下转第１４５页）１４１２０１６年第５期曹艳科等：大型国产气动Ｙ型密封圈在机械压力机上的应用（４）机械安定性：不加水滚筒安定性反映了润滑脂的机械安定性。国产Ｓｕｐｅｒｇｒｅａｓｅ１ｂ与进口ＲＬ１聚脲脂混兑样不加水滚筒安定性测试结果表明，混兑后锥入度差值变化不大，且数据本身也较小，说明润滑脂混兑前后机械安定性优良。（５）抗水性：加水滚筒安定性反映了润滑脂的抗水性能。国产Ｓｕｐｅｒｇｒｅａｓｅ１ｂ与进口ＲＬ１聚脲脂混兑样加水滚筒安定性测试结果表明，混兑后锥入度差值变化不大，且数据本身也较小，说明润滑脂混兑前后抗水性优良。据此韶钢于２０１３年７月逐步将宽板厂主轧机使用的进口的ＲＬ１聚脲润滑脂更换成国产的Ｓｕｐｅｒｇｒｅａｓｅ１ｂ脂，并在２０１４年全部使用国产的Ｓｕｐｅｒｇｒｅａｓｅ１ｂ润滑脂，相比２０１２年降低了成本约４０多万元。３　结束语油液分析技术可以有效提升钢厂设备润滑管理水平，为设备预防性维修提供依据，避免设备的故障发生，提高了设备总体运行效率和保证设备的安全生产。钢厂设备的工作环境较差，设备中的润滑油易受原料粉尘、炉渣颗粒、冷却水等污染，威胁设备的正常运行。另外，钢厂内设备的种类繁多，且通常一台设备包含多个润滑点，这些润滑点使用不同的润滑油，这些都对设备的正确用油带来一定的挑战。开展油液分析，可以及时发现油液出现的污染，及时地发现油品的混用、