浮动式静压支撑振动液压缸

王爱玲 张泽栋 杨荣

(北京金自天成液压技术有限责任公司 北京 100071)

1 前言

结晶器是连铸机的核心设备之一，它使铸件成形并迅速凝固结晶。结晶振动装置与其他机构共同作用，将结晶器内的铸件拉出。振动液压缸通过振动频率，振动幅度，振动波形的调整对结晶器作用提高铸坯表面质量减少板批铸造缺陷。振动液压缸作用关键，拆装困难，生产现场对其可靠性，性能参数及使用寿命都有较高期待。

由于振动液压缸在某一行程下长期往返振动加之连铸机工况恶劣，拉速提高，对振动液压缸的结构形式及密封材料都有较高要求。目前在线使用中的结晶器振动液压缸普遍存在寿命短，精度差，响应慢等不足[1,2]。

2 结构优化方案

针对现存的一些问题，本文在结构及密封形式上提出了几点较为新颖的解决方案。

2.1 静压支撑结构形式

振动缸普遍采用NBR+PTFE组合密封或间隙密封。NBR+PTFE组合密封存在接触摩擦，且摩擦随压力增高而增大，在特定行程下的长期往复振动的特殊工况下，密封件和活塞杆摩擦面的磨损失效成为整缸的寿命瓶颈。间隙密封摩擦有所改善，但密封材料和活塞杆同样存在着严重的磨损，而且大部分情况是偏磨。摩擦的存在同时限制了油缸的稳态和动态性能[3,4]。

密封材料的磨损是震动液压缸寿命的瓶颈。为解决这一问题，采用了间隙密封的形式。通过严格控制活塞杆和相关密封件之间的间隙，利用极小间隙来达到密封效果。间隙密封允许一定的泄漏量，但解决了常规密封材料磨损寿命低的问题。间隙密封对各部件尺寸精度要求较高，各部件之间的正常安装间隙足以对此造成影响。采用浮动密封套的形式可以在一定程度上解决装配误差对密封间隙精度的影响[5]。

理想状态下活塞杆只轴向方向受力，但实际中，侧向力不可避免。过大的侧向力影响活塞缸与密封套的同轴度，使活塞杆与密封套产出接触摩擦。甚至活塞杆偏心对环形间隙的泄漏量产生较为严重影响，最大偏心时的泄漏量是同心时的2.5倍。过大的泄漏量会使震动缸产生动作不到位，动态性能下降，及外泄漏等严重问题[6]。

静压支撑可以在不发生接触的状态下，活塞杆与密封维持同心状态。由于不接触，极大的减少接触摩擦，使密封套和活塞杆的磨损量降到最低，活塞杆的接触磨损明显减少。很大程度上提高了整缸的使用寿命。同时，由于大幅度的降低了接触摩擦，使振动缸的静摩擦力、动摩擦力大幅降低。这不仅使整缸的稳态控制精度和动态响应品质得到提高，同时使用寿命得到进一步提升[7]。

2.2 密封套变形计算

根据相关研究，密封套的弹性变形及热变形，对整体性能有重要影响[8,9]。工作时，密封套的变形将改变密封套与活塞杆的间隙。根据相关理论，间隙的变形改变环形间隙内部的流场状态，同时极大的改变泄漏量。所以研究压力对密封套的变形的影响很有必要。同时由于工作时，温度的变化幅度较大，有必要研究温度对密封套产生的变形影响。

通过实验方法检测最终的泄漏量，得出的结果最为可信。但对密封套的变形产生的影响不便检测。同时，理论上密封套与活塞杆之间不直接接触，但实际情况可能会有比较复杂的接触情况[10]。因此采用通用有限元软件模拟计算的方式，计算不同压力下机不同温度下的密封套的变形量，对于分析二者对变形的影响趋势更有意义。

图1 浮动静压支撑密封套

图2 密封套剖视图

图3 整体结构图

分别计算在油压10MPa、20MPa状态下，密封套的弹性变形量。

计算结果显示，压力对密封套的产生较大程度的变形，10MPa时最大变形量0.007mm，20MPa时最大变形量0.013mm。这么大的变形量将改变密封套的性能。所以设计时要充分考虑油路分布，必要位置引入压力补偿，降低油压导致的弹性变形。

图4 10MPa压力导致的弹性变形

计算在温度在20℃、40℃、60℃状态下，密封套的热变形量。计算结果显示不同温度导致密封套产生较大的热变形，20℃热变形0.017mm，60℃热变形可达0.03mm。所以设计时需要考虑相应措施，减小热变形对整体性能的不利影响。

2.3 专用防尘结构

防尘圈在油缸中有着重要的作用，现有振动缸的防尘圈皆为常规形式，密封唇口相对沟槽固定，活塞杆微量运动也会产生相对摩擦，所以磨损较快。

针对振动缸长期特定位置小幅振动的工况，开发了专用波纹防尘。在防尘唇口和安装座之间增加波纹结构，如图6所示。在活塞小幅运动的情况下，通过波纹的涨缩，使防尘圈唇口与活塞杆无相对运动，即减少了磨损，提高了防尘效果。同时，由于波纹结构的存在，使密封唇口相对安装座的摆动更大，即使在活塞杆严重偏斜的情况下也能起到较好的防尘效果。

图5 温度20℃时的热变形

图6 波纹防尘的结构图

3 结论

应用上述改进后，震动液压缸静摩擦力及动摩擦力减小。活塞杆偏摆现象改善。同时，活塞杆和密封套的磨损情况也得到改善。利用有限元计算说明压力产生的弹性变形和温度引起的热变形足以改变整体密封系统的性能，设计时必须采取必要措施。特殊密封的使用减少了密封唇口与活塞杆之间的滑动摩擦，减少了磨损。最终使震动缸整体的动态响应品质、静态控制精度有了一定的提升。同时，使用寿命有了较大提高。为结晶器整体寿命的延长提供了有利条件。