结晶器振动液压缸的优化改造

潘 越 丛 帅

（1：河北工程大学机电工程学院 河北邯郸 056000；2：上海美西为机电设备有限公司 上海 200000）

1 前言

振动缸在连铸中起着举足轻重的作用，如图1所示，其作用是防止铸坯与结晶器内壁粘结导致铸坯过程发生拉裂或漏钢，并且通过振动缸周期性地振动来改变钢液面与结晶器壁的相对位置，来提高拉坯的流畅程度，改善铸坯的表面质量和钢坯表面的润滑状况［2］。在全球范围，德国汉臣（Haenchen）公司的振动缸使用寿命最长，其拥有间隙密封发明专利。国内有不少工厂生产间隙密封振动缸，但是效果都不是很理想，与进口振动缸的使用寿命还有很大差距。总结多年维修汉臣（Haenchen）公司液压缸的经验，采用间隙密封技术，并对关键元件进行热处理，以达到增加使用寿命的目的。

2 结晶器振动液压缸的主要失效形式

作者对长期维修记录计算和分析，得出国产振动缸平均使用寿命为7～8个月，而进口振动缸的平均使用寿命则为两年以上，总结了液压缸以下四种主要失效形式。

2.1 缸体内壁失效

缸体内壁失效一般分为缸体内壁拉伤、点蚀和生锈。造成失效的原因有：①活塞杆受到侧向力过大造成缸体内壁拉伤；②液压油过滤不充分使铁屑等杂志进入液压缸而造成缸体内壁磨损；③缸体形位公差过大造成缸体内壁局部拉伤；④密封不严使空气进入油液中造成缸体内壁生锈；⑤密封件磨损导致活塞杆与缸体内壁接触而划伤缸体内壁；⑥装配前清理工作不充分，残存在缸体内的铁屑等杂质造成缸体内壁磨损等［3］。

图1 振动缸简图

2.2 活塞杆失效

活塞杆是振动缸最容易失效的部件，其失效原因有：①活塞杆硬度不够很容易被磨损；②密封件过硬造成的磨损；③温度过高造成活塞杆表面组织软化带来的磨损；④装配前清理工作不充分，残存在缸体内的铁屑等杂质造成活塞杆磨损等。

2.3 密封件失效

2.4 防尘圈失效

特别是在冶金行业这种恶劣环境下工作的液压缸，防尘圈的作用不容忽视。其失效的原因有：①活塞杆粗糙度过高而造成的磨损；②活塞杆形位公差问题造成的防尘圈变形；③高温条件下防尘圈的失效等。

3 结晶器振动液压缸优化

间隙密封具有摩擦系数小、泄露少、非接触式压力外放、制作精度高、滑动配合间隙小、无磨损、工作时无需漏油补偿泵等特点。

3.1 间隙密封工作原理

以活塞杆与伺服环处间隙密封为例，由于配合公差不可避免，导致有极微小的间隙存在。当高压油液流过间隙时，可以形成一层油膜，起到润滑和支持的作用。又因为活塞杆的几何形状和同轴度存在误差，使工作的压力油在密封间隙中的不对称分布而形成液压卡紧力，它增大了活塞杆和伺服环的摩擦力，因此有必要在伺服环内壁开几条平衡槽，平衡槽深0.6mm，槽宽1.5mm［4］。油液流经平衡槽时，会在槽中形成漩涡，使油液由层流状态转为紊流混合状态并形成阻力屏障，从而对油液进行节流，并使其产生尽可能大的压力损失，这样在高频运动时，振动缸內泄漏量就明显减少［4］。同时，开平衡槽后，使得径向油压力趋于平衡，导致活塞杆能够自动对中，可以减小摩擦力；因为同心环缝的泄漏要远比偏心环缝小，所以活塞杆的对中减少了油液的泄漏量，提高了密封性能；并且油液储存在平衡槽内，使活塞杆能自动润滑。根据汉臣（Haenchen）公司的资料，测得支撑环靠近活塞端的压力为21MPa，靠近卸油口端的压力只有5.2MPa，不仅降低对密封件的要求，而且由于存在一定压力，泄漏油液会自动排出泄油口，而不需要将泄漏油抽回油箱，使振动缸的日常维护更方便。

3.2 间隙密封相关计算

以活塞杆与伺服环处间隙密封为例，间隙密封的性能是由间隙大小、间隙长度、活塞两端压力差、活塞杆直径以及材料加工精度决定的。

间隙大小、间隙长度、伺服环两端压力差的计算公式如下：

间隙大小：

间隙长度：

伺服环两端压力差：

小麦红蜘蛛属于瞒类，是小麦种植过程中的高发虫害。红蜘蛛吸食小麦汁液后造成小麦苗上出现斑点，虽然通常不会造成小麦坏死，但是群体密度增大后可造成叶子变成红褐色、不能抽穗以及植株枯死的情况，春季是此虫害的高峰期。

式中s为间隙宽度（mm）；

μ—油液动力粘度（Pa·s）；

ΔQ—允许内泄漏量（l／min）；

d—活塞杆直径（mm）；

ν—液压介质的运动粘度（mm2／s），近似取δ＝

活塞杆直径已知时，即可算出s、L、p。

3.3 关键元件的优化

3.3.1 活塞与缸体和活塞杆和伺服环的加工及热处理

活塞与缸体之间、活塞杆与伺服环之间均采用间隙密封，如图2所示。活塞杆和缸体内壁表面都镀有特别厚的镀铬层并且经过研磨，其表面粗糙度为Rz≤1μm，活塞外圆和伺服环内表面热喷涂铝青铜，然后进行研磨，研磨后配合公差均为H7／f7。镀铬层具有很高的硬度、耐磨性、耐热性以及化学稳定性，低摩擦系数和制作成本，镀铬层硬度大致为900～1000HV［5］；铝青铜的强度比一般黄铜高，有很好的耐磨性和耐热性，其硬度大致为150～200HV［6］。镀铬层和铝青铜涂层的特性正好满足振动缸工况，并且镀铬层的硬度远远大于铝青铜涂层，这样即使发生碰撞，也不会产生塑性变形，从而增加活塞、缸体、活塞杆和伺服环的使用寿命。

图2 间隙密封示意图

3.3.2 导向元件和密封件的选择

间隙密封液压缸在受到侧向力时，很容易出现拉缸现象。该液压缸采用聚合物导向元件，其滑动表面可以衰减振动和避免锐边的挤压，所以该液压缸可以在承受一定侧向力的情况下而不拉缸。该液压缸采用耐高温的FKM材料制作的密封件，它可以在-15℃～200℃环境下正常使用，正好满足振动缸150℃～180℃的工作条件。

3.4 其他

除了对关键元件优化外，一些细节问题同样值得注意。如采用优良的校直设备，以提高活塞杆和缸筒的直线度；缸体内孔加工时，先粗加工，然后放置一段时间自然去应力，最后再进行精加工；在电镀过程中严格控制每一个环节；做好防锈措施；装配过程中，严格按照装配流程执行等等。

4 结论

对长期维修记录分析，总结振动缸的主要失效原因，根据失效原因对关键元件进行优化，从而使该间隙密封振动缸具有使用寿命长、价格远低于进口振动缸、低摩擦、低泄漏、结构紧凑等特点，特别适合用于结晶器振动。目前该液压缸已在国内多家钢铁生产企业使用，平均使用寿命超过两年，不仅给企业节省大量开支，而且提高了铸坯质量。

［1］李健.微间隙密封设计及其在旋转机械中的应用［J］.机械设计与制造，1998（6）.

［2］陈静.提高连铸机结晶器振动伺服液压缸可靠性途径的初析［J］.液压与气动，2013（4）.

［3］左林.连铸机结晶器振动液压缸失效原因及处理对策［J］.液压与气动，2013（1）.

［4］普学仁.提高镀铬层性能的方法［J］.重庆工业高等专科学校学报，2003，Vol.18（1）.

［5］杨水生.液压缸的间隙密封［J］.润滑与密封，19 98（5）.

［6］王娟.表面堆焊与热喷涂［M］.北京：化学工业出版社，2004.