河北一新建大型国企钢厂的烧结厂,引进世界先进的隧道窑生产线,用于铁粉烘干,皮带下料机将铁粉卸到输送带后,在铁粉进入隧道窑前时有一液压摊平机,用液压缸装置把4米宽的输送带上的铁粉摊平,均匀铁粉厚度后进入隧道窑内。
这套摊平机液压系统及油缸是由总承包商委托国内一家液压公司制造,摊平机上的液压油缸是德国图纸、国内制造。安装使用后,总是外漏油,每七到十天左右就要停产几小时,进行更换油缸,设备投入使用后,总是不断的找人解决油缸漏油事宜,但在一年多共有国内多家公司承接维修及改造油缸,但没有一家的维修能达到叫用户满意,油缸在线使用寿命提高不明显。
我的一位液压友人向我通报此事,也大致的向我介绍油缸的工况,主要问题是:为了摊平输送带上的铁粉,油缸的左右移动速度要与输送带行进速度同步,摊平机缸杆移动速度必须达到2.8米/s,超出密封件的最高线速度,摊平机液压系统是24小时连续工作,而且环境污染特严重,空气中布满铁粉粉尘,落在缸杆表面上的棵粒状粉尘几天就把缸头上的防尘封及内部密封磨坏,造成缸头密封磨损产生泄漏。我对此查索了国外密封手册,有几家公司的密封技术性能都能达到15米/s,只是没有找到防尘封及导向带也能耐到15米/s的,我想好了对策后,我便自己主动找上门去与到用户说:我就最喜欢干别人搞不定的事,如果我维修过的油缸使用不能让您满意,我不收取任何维修费用!对方一听只要提出不满意就可以不用付任何费用,马上来了性趣并问我要采取什么方案,我便说:请贵方最好能提出一个维修后的验收标准,我达到了就要收款,如果没有达到,不但不收款还会立马走人!对方说:油缸只要能在生产线上使用达到六个月便算是合格!。我按此报价后,用户说我的维修报价比先前的维修费用最高价格高二倍并还拐了个弯!领导不会批准的!并把我很不恭敬的给拱了出来,真是上敢子不是买卖,我想此事没完,就等着瞧!看是谁能把此事搞定!我也等待与期待用户上敢子来找我,果不然、一年后的某一天真的来电话找我了,说他领导要见我,谈摊平机油缸维修事宜,我真是欢喜的心花怒放。
我再次去与用户面谈维修事宜,见面后我询问用户,贵方的验收标准这回是什么条件,回复是:摊平油缸在线使用时间只要达到六个月即算是合格!我便再次承诺不收款条件,但这次的维修价格不是我先前的报价了,这回油缸维修价格是上次的二倍,因为是又是一年,又不知又找了多少位“能人”还都没有修好,您是再没有办法了,最后才找我的,经过一翻周折,签了维修协议,我拿到德国原设计的油缸图纸及液压系统资料,同时也把我的改造方案与用户详谈,征得甲方同意我的方案后,我便可以进行到维修程序了。
这回我能够实地进入摊平机运行车间观察工况了,摊平机的液压站上用的是2台比例控制变量的*国大排量的闭式液压柱塞泵+PLC ,编程很好,油缸换向没有冲击,泵是一工一备,可以从泵的摆角指示器上观看到缸杆外伸时,泵排量已达到最大排角了,但出乎意料是泵的输出最高压力竟是40bar。缸杆直径Ø45,油缸是呈现水平布置,缸杆上有缝合式防尘套。车间角落里有一堆下线的油缸及一堆防尘套。
我选一件因漏油下线油缸运回,在拆解前,在缸筒、缸头、杆上做好方向性标记后拆开一个油缸,观察、检测密封、导向带、导向套配合及磨损状况,缝合式防尘套还是新的但已坏损,为什么新的防尘套就坏了?整个油缸的密封件是德国一家公司的产品,活塞上的密封采用的是双作用的格来圈及主密封左右各二道(共是四道)导向带,但导向带材料是耐线束度为3米的,但硬度不够,缸筒内臂光洁度很好,活塞密封表面是无磨损的。
检查缸头密封:防尘封下端磨损严重,防尘封里侧居然没设有导向套固定位置这超长的缸杆,缸杆基本上快磨损到缸头金属边缘了,防尘封里边是三道格来圈,其中的二道格来圈是朝外方向装配的,目的是防止铁粉进入的,一道向内(正确方向)装配的,还有一道与活塞上密封件一样材料的导向带,明显是导向带硬度低,没能起到导向作用。检查缸杆表面上的电镀层,硬度、表面光洁度都达到标准。我所拆解的油缸与德国原图纸对照,只有密封件与图上不一致了,余下没有太大的变化。
为了查明新的防尘套就坏了原因,我又再次返回到甲方车间查看得知,当新的防潮套安装后,因超长的缸杆外伸时,防尘套也被拉直全部伸展开,当缸杆快速回缩时,防尘套内的空气被压缩,就像一个气球被吹爆一样就爆裂出一个裂口,缸杆再伸展时,空气中的粉尘就被吸进防尘套中了,起不到防尘作用了。
油缸拆解检查后我的总结:
一,从观察所拆解的油缸结构设计及密封型式功能种类、从测量活塞与缸筒内径及沟槽配合间隙量、德方是按标准出图的,德方的设计人员也是设计失误及没有考虑到此套油缸的运行特点“缸杆运行线速度超出常规的5倍速+液压驱动压力超低”。
二,从拆解的缸头上有三道斯特封、就不难发现中方承接维修人员,是没有搞明白油缸的摩擦副动压油膜关系,只是想用二道斯特封重合来和刮掉缸杆上的粉尘,这种方式加重了干摩擦系数。
油膜是整个液压油缸的核心,活塞密封与缸筒内壁间滑动面,活塞杆与缸头内密封滑动面,这二套滑动摩擦副要使之形成适当的油膜,即紧密接触,又相对滑动。摩擦副间隙大就会形成油膜太厚,则起不到密封作用而泄漏量增大。滑动摩擦副间隙太小,则会造成摩擦副因少油或缺油,形成无油膜干摩擦,造成密封件唇边摩擦磨损。要做到合理设计油缸,即要参照密封样本上的间隙与压力关系,也要按油缸实际工况压力灵活设计密封与沟槽配合公差,油缸工况压力是多少,密封间隙就取多少!不要一味追求高压,如果油缸是中压工况时,可你设计时取高压配合间隙,那么在油缸实际使用工况状态时,油缸的滑动面密封件实际上没有受到应有的高压挤压密封型变,则不会产生适当滑动油膜,就会减少了密封件性能与寿命。这台摊平机油缸最致命的缺陷是缸杆在高速回程运动时,没有油液提供给滑动面,没能生成有效的油膜,造成摩擦副发生接触性干摩擦损伤了密封件,有关油缸密封摩擦系数及油膜理论本文不再累述。从油膜理论来解析摊平机油缸磨损机理,当无杆腔压力变为增大时、缸杆开始向外伸展,在缸杆从有杆腔向外运动时,缸杆是侵泡在油液中,杆在高速运动时,有杆腔内部油液附着在缸杆表面也一并向缸头密封唇口外侧渗透,同时也把油液带入到缸头内形成滑动油膜,缸杆从缸头中伸出时,杆表面上有一层极薄油膜,这是最理想的状态,因为这层油膜是为缸杆回程时,起到滑动油膜作用。
摊平机的油缸杆回程时,摩擦副条件改变了,缸杆是暴露在空气中,缸杆表面上原附着油膜又被一层铁粉粉尘侵失破坏掉,随着缸杆快速回程运动,便出现了无油干摩擦状态,铁粉又从缝隙中侵入到缸头内部密封唇口表面,使摩擦面又增加了研磨沙,加剧了摩擦。
三,我真对这种低压力工况、高速运动、干摩擦等特点油缸,从密封选型上下了一翻功夫,查索了国外几大品牌密封厂家样本,最后选定德国simrif公司的“蓄能唇形密封”单作用密封,作为主密封。这是一种代有U型槽的铁氟龙(PTFE)添加特殊耐磨材料,内装特殊C型蓄能弹簧的高性能密封件(见下图),特殊的C型弹簧给密封唇缘提供永久恒定自紧迫压力,极端苛刻的低摩擦性能。
这种密封使用条件:
1,摩擦系数非常小,密封性能不受启动时润滑不足的影响。
2,良好的耐干摩擦性能。
3,可在高达15m/s的速度下工作。
防尘封我选用英国Hallite公司的842高强度抗磨损的聚酯材料防尘圈,这种防尘圈是专为工业长行程缸杆设计,可以刮除重度污物如泥浆,冰等,防尘封性能≧5m/s运行速度。
导向带也选用英国Hallite公司的506,≧5m/s运行速度。
四,面对摊平机油缸结构上缺陷,我真对油缸实际工况,进行了改造性的设计,针对缸杆回程时,也必需提供油液润滑,我在油缸原缸头前面增加了一个空间是60mm封闭腔,封闭腔一侧进油、一侧回油到过虑器再返回油箱,这个封闭腔内的油液起到二个作用,一是给缸杆回程时,杆表面会附着油膜,二是能把附着杆表面的粉尘冲洗掉,增加了一台液压站,这台液压站我给起名为冲洗液压站。请大家原谅,这是十多年前的事了,已更换了几台电脑,现我在电脑中没有找到我所设计的CAD图,非常遗憾。作者:马明东
另外我改造设计时着重加强缸头支承作用的导向套布局,在缸头两端各用一道20mm宽*3mm重载型的导向带,前端是≧8米/s刮冰型防尘封,≧15米/s有内支承弹簧钢片的V型密封,因为油缸缸杆电镀表面我又采用胎具进行了研磨抛光,使光洁度高于0.16μm,这是为了提高防尘封、缸头密封的使用寿命。
摊平机油缸改进后装配测试,已达到改造设想。送到甲方安装使用,在准备等待6个月后再收款,在一个多月后,甲方来电话要求我立即到甲方工厂,我想坏了!可能是我的油缸也没能达到承诺的时间?我立即给现场的点检员去电话询问,人家说没发生漏油呀,我怀着忐忑不安心情动身前往甲方,人家热情的接待我,并要求我把余下的油缸全部改成我设计的油缸,我说怎么不等6个月后看效果如何再进行呀!对方说; 它厂已组织过有关专家及以前搞过维修的厂家的技术人员对我所改进的油缸性能进行全面论证了,大家一致认为:oK
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