单体液压支柱密封的研究.pdf

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1、2 0 0 6年 6月 第 6期 ( 总第 1 7 8期) 润滑与密封 LUBRI C AT I ON ENGI NEERI NG J u n e 2 0 0 6 N o 6 ( s e ri a l N o 1 7 8 ) 单体液压支柱密封的研 究 牛曙光 ( 黑龙江科技学院黑龙江哈尔滨 1 5 0 0 2 7 ) ； 摘要：对我国煤矿高档普采工作面中单体液压支柱存在的问题进行了分析，设计了一种新型同轴复合密封 置，并 介绍了该装置的设计思想、 结构特点。采用同轴复合密封装置实现了在高压动态、 低压静态下支护的可靠密封，降低产 + 品生产成本，使产品维护更为方便。 t 关键词： 单体液压支柱

2、；同轴复合密封；密封性能； 可靠性 中图分类号：T B 4 2 文献标识码：B 文章编号： 0 2 5 4 0 1 5 0( 2 0 0 6 )61 7 9 2 Re s e a r c h o n t he S e a l o f S i n g l e Bo d y Fl u i d Pr e s s u r e Pi l l a r Ni u Sh u gu a n g ( H c i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Ha r b i n H e i l o

3、 n g j i a n g 1 5 0 0 2 7 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e e x i s t e n t p r o b l e ms o f s i n g l e b o d y fl u i d p r e s s u r e pi l l a r s we r e a n a l y z e d i n t h e wo r k f a c e s o f c o al mi n e i n o u r c o u n t r y A n e w c o a x i al c o mp o u n d s e al wa s de s

4、 i g n e d， i t s d e s i g n t h o u g h t a n d s t r u c t u r e c h a r a c t e ris t i c s we r e i n t r o du c e d Th e c o ax i al c o mp o u n d s e al c a n g u a r a n t e e c r e d i b l e s e a l o f flu i d p r e s s u r e p i l l a rs i n t h e h i g h p r e s s u r e d y n a mi c s t

5、 a t e s a n d l o w p r e s s u r e s t a t i c s t a t e s ， wh i c h 1 o we rs t h e p r o d u c t c o s t a n d ma k e s i t c o n v e n i e n t f o r ma i n t e n a n c e Ke y wo r d s ： s i n g l e b o d y flu i d p r e s s u r e p i l l a r ； c o ax i al c o mp o u n d s e al； s e a l c h a r

6、 a c t e r i s t i c； c r e d i b i l i t y 用于高档普采工作面的支护设备单体液压支柱， 可靠性与寿命直接影响煤矿井下工作面的支护质量， 单体液压支柱最易损坏的部件是活柱 、油缸和密封 等，产品的工作压力 、速度、适用工作环境受介质密 封的制约，可靠性取决于密封装置的工作能力。本文 作者研制了一种新型密封 ，以提高单体液压支柱设备 的可靠性和使用寿命。 1 单体液压支柱的结构 如图 1 所示为单体液压支柱的结构图。单体液压 支柱最重要的密封就是安装在活柱上的活塞密封 ，它 的作用是保持支撑顶板的腔体压力。油缸内表面是单 体液压支柱的密封面。目前使用 的

7、 Y形密封圈，在 顶板来压时其唇 口在腔内压力的作用下 ，密封效果良 好。但是由于内部压力可高达 3 0 M P a ，且乳化液润 滑性能差 ，因而存在挤出损坏使磨损加快。挤出损坏 是由高压状态下作用在密封上的摩擦力引起的。 单体液压支柱出厂试验中按国家标准规定需要做 静载试验，要求在静态低压 ( 2 MP a压力)作用下， 维持压力不变的时间越长越好 ，这是支柱的最重要指 标之一。 + 基金项 目：黑龙江省教育厅资助项 目 ( 1 0 5 4 3 0 3 9 ) 收稿 日期 ： 2 0 0 51 2 一 加 作者筒介：牛曙光 ( 1 9 6 o 一) ，副教授，高级工程师，研究方向 是液压系

8、统设计和特种加工E - m a i l ：n i u s h u g u a n g 9 8 1 s o h u 2 单体液压支柱存在的问题 煤矿井下环境恶劣，采煤工作面和巷道相对湿度 大，使用的设备长期处于潮湿、易腐蚀环境中。用于 高档普采工作面的支护设备，多采用外注式单体液压 支柱 ，工作 中通 过 向工作 腔注入工 作介 质 ( 乳化 液) ，起到升柱和达到初撑力的作用 ，而降柱时则将 乳化液排入到采空区。因此，需要不断地向乳化液泵 站补充液体 。 乳化液的浓度对单 体液压支柱的性能影响 很大，浓度过小会降低 防锈性和润滑性 ，浓度 过高会降低消泡能力， 增大对橡胶密封材料的 溶胀性 。

9、目前多数煤矿 采用称量混合搅拌法人 工 配制乳化液，由于各 蚕 种原因，并不能保证乳篓 化液的配 比。另外，有 时由于没有及时添加乳 化油，而将具有腐蚀性 的井下水直接注入单体 液压支柱工作腔，因水 几乎没有润滑性 ，且容 易使金属锈蚀，从而加 速了油缸基体表面的腐 图1 单 体液压支柱结构图 维普资讯 http:/ 1 8 0 润滑与密封 总第 1 7 8期 蚀速率，使橡胶件老化失效。 此外，在低压时如果密封件唇 口和油缸有缺陷时 而使密封失效，初撑力达不到要求时将发生倒柱事 件，将直接威胁煤矿工人的人身安全。 3 同轴复合密封装置的研制 3 1 同轴复合密封装置的结构 如图 2所示，同轴复

10、 合密封外环是一个矩形断 面的聚四氟乙烯环，内环 是一个矩形断面的橡胶弹 性环 ，外环和内环同心安 装在一个沟槽里。其最大 的特点是用于滑动密封中 可大大减小摩擦力 ，低压 静态时密封效果好 ；结构 上采用了两种不同的材质 2 图2 同轴复合镪封示意 的同轴复合密封 ，既有塑料摩擦因数低的优点，又有 橡胶件弹性好的特长。因此，采用这种方式 的密封 ， 使滑动密封性能得到了很大的改善。同轴复合密封的 外环采用聚四氟乙烯材质，其特点是本身不吸水，有 优异的自润滑性 、良好的化学稳定性和力学性能 ，其 使用压力可达 3 O一 4 0 M P a 。因此适合做耐腐蚀件、 减摩耐磨件，摩擦状况要 比橡胶

11、好得多 ( 见表 1 ) 。 表 1 聚四氟乙烯与橡胶性能对比表 3 2 同轴复合 密封的 工作原理 同轴复合密封的工作原理是利用富有弹性的橡胶 铸造成型的矩形断面的内环，与聚四氟乙烯外环安装 时产生的预压力，从而使聚四氟乙烯环压紧密封表面 来达到密封效果。宽的密封口结构较好地解决了挤出 损坏、机械磨损和低压泄漏问题。 3 3 两种密封形式的 比较 在增加密封线宽度和径向预紧量的同时，若不降 低缸筒与密封圈之间的摩擦因数 ，摩擦力将成倍的增 加，必然影响支柱的正常使用。使用的 Y形密封圈， 在初始密封时，理论计算密封口宽度在 1 m m左右， 新型密封圈密封面宽度为 1 0 m m，密封面积比

12、原来增 大 1 0倍。同时密封圈的径向预紧量也有很大提高。 密封圈摩擦力厂 的计算公式为 = Q D L ( p+ P 。 ) 式中：D为密封装置的直径 ；L为密封装置的宽度 ； P为液体的工作压力；P 。 为起始的接触压力； 为摩 擦因数；Q为系数。 从上式可以看出，在相同的工作条件下，两种不 同形式的密封圈 ( 同轴密封和 Y形密封)与金属缸内 壁之问摩擦力，差异是 比较大的。由于聚四氟乙烯对 缸的摩擦因数 = 0 0 4 ，橡胶 圈对缸的摩擦因数 = 0 9 ，两者的摩擦 因数相差 2 2 5倍，在其它条件变化 不大情况下，可知采用聚四氟乙烯比橡胶圈摩擦力小。 4 同轴复合密封装置的特点

13、 同轴复合密封装置具有以下特点： ( 1 )密封效果好。由于同轴复合密封圈密封面 宽 ， 具有良好的弹性 ， 在低压时能够 自动伸展 ，与缸 体结合部位能形成一条 1 0 m m宽的圆环带，所以它 能将油缸内宽度在 9 mm以内的缺陷完全覆盖 ，达到 完好的密封效果。 ( 2 )加工和维修成本低。单体液压支柱 中油缸、 活柱筒精度要求高，加工难度大，有的只因局部表面 粗糙度和尺寸公差达不到要求，就被判为废品，生产 成本高。而采用同轴复合密封装置后，在加工支柱时 可以降低油缸和活柱筒的加工精度，简化原有支柱缸 筒的加工工艺，从而减少废品率 ，降低单体支柱生产 成本；且在用支柱维修时，新型密封更换

14、方便，支柱 的修复率和使用寿命大大提高 ，特别对大修的油缸适 应能力强 ，减少了因支柱漏液而造成的频繁上井维修 次数 ，减轻了工人劳动强度，保证井下安全生产。 5 结论 采用同轴复合密封装置，外环采用聚四氟乙烯 ， 具有 自润滑性能好，摩擦因数低和抗张强度高等特 点；较宽的密封面较好地解决了工作腔高压时挤出损 坏问题；内环采用橡胶材料 ，解决了低压静态的密封 性能。另外 ，同轴复合密封装置提高了支护产品的安 全性和可靠性，可延长支柱使用寿命，减少维修 、大 修次数， 并保证通用性，是目前较理想的单体液压支 柱密封装置，具有 良好的经济效益和广阔的市场前 最 。 参考文献 【 1 】顾们勤新型静密封材料及其应用 J 石油机械，2 0 0 3 ， 3 1( 2 )：5 0 5 2 【 2 】成大先机械设引 手册： 第4卷 M 3版北京：化学 T业出版社，1 9 9 3 【 3 】 f ： 海煤矿机械研究所液压传动设计手册 M 上海： j - 海人民出版社 ，1 9 7 6 【 4 】徐灏，等机械设计手册：第 1 卷 M 北京：机械工 、 l k 出版衬= 。1 9 9 2 维普资讯 http:/