結晶器振動液壓缸的優化改造

潘 越 叢 帥

（1：河北工程大學機電工程學院 河北邯鄲 056000；2：上海美西為機電設備有限公司 上海 200000）

1 前言

振動缸在連鑄中起著舉足輕重的作用，如圖1所示，其作用是防止鑄坯與結晶器內壁粘結導致鑄坯過程發生拉裂或漏鋼，并且通過振動缸周期性地振動來改變鋼液面與結晶器壁的相對位置，來提高拉坯的流暢程度，改善鑄坯的表面質量和鋼坯表面的潤滑狀況［2］。在全球范圍，德國漢臣（Haenchen）公司的振動缸使用壽命最長，其擁有間隙密封發明專利。國內有不少工廠生產間隙密封振動缸，但是效果都不是很理想，與進口振動缸的使用壽命還有很大差距。總結多年維修漢臣（Haenchen）公司液壓缸的經驗，采用間隙密封技術，并對關鍵元件進行熱處理，以達到增加使用壽命的目的。

2 結晶器振動液壓缸的主要失效形式

作者對長期維修記錄計算和分析，得出國產振動缸平均使用壽命為7～8個月，而進口振動缸的平均使用壽命則為兩年以上，總結了液壓缸以下四種主要失效形式。

2.1 缸體內壁失效

缸體內壁失效一般分為缸體內壁拉傷、點蝕和生銹。造成失效的原因有：①活塞桿受到側向力過大造成缸體內壁拉傷；②液壓油過濾不充分使鐵屑等雜志進入液壓缸而造成缸體內壁磨損；③缸體形位公差過大造成缸體內壁局部拉傷；④密封不嚴使空氣進入油液中造成缸體內壁生銹；⑤密封件磨損導致活塞桿與缸體內壁接觸而劃傷缸體內壁；⑥裝配前清理工作不充分，殘存在缸體內的鐵屑等雜質造成缸體內壁磨損等［3］。

圖1 振動缸簡圖

2.2 活塞桿失效

活塞桿是振動缸最容易失效的部件，其失效原因有：①活塞桿硬度不夠很容易被磨損；②密封件過硬造成的磨損；③溫度過高造成活塞桿表面組織軟化帶來的磨損；④裝配前清理工作不充分，殘存在缸體內的鐵屑等雜質造成活塞桿磨損等。

2.3 密封件失效

2.4 防塵圈失效

特別是在冶金行業這種惡劣環境下工作的液壓缸，防塵圈的作用不容忽視。其失效的原因有：①活塞桿粗糙度過高而造成的磨損；②活塞桿形位公差問題造成的防塵圈變形；③高溫條件下防塵圈的失效等。

3 結晶器振動液壓缸優化

間隙密封具有摩擦系數小、泄露少、非接觸式壓力外放、制作精度高、滑動配合間隙小、無磨損、工作時無需漏油補償泵等特點。

3.1 間隙密封工作原理

以活塞桿與伺服環處間隙密封為例，由于配合公差不可避免，導致有極微小的間隙存在。當高壓油液流過間隙時，可以形成一層油膜，起到潤滑和支持的作用。又因為活塞桿的幾何形狀和同軸度存在誤差，使工作的壓力油在密封間隙中的不對稱分布而形成液壓卡緊力，它增大了活塞桿和伺服環的摩擦力，因此有必要在伺服環內壁開幾條平衡槽，平衡槽深0.6mm，槽寬1.5mm［4］。油液流經平衡槽時，會在槽中形成漩渦，使油液由層流狀態轉為紊流混合狀態并形成阻力屏障，從而對油液進行節流，并使其產生盡可能大的壓力損失，這樣在高頻運動時，振動缸內泄漏量就明顯減少［4］。同時，開平衡槽后，使得徑向油壓力趨于平衡，導致活塞桿能夠自動對中，可以減小摩擦力；因為同心環縫的泄漏要遠比偏心環縫小，所以活塞桿的對中減少了油液的泄漏量，提高了密封性能；并且油液儲存在平衡槽內，使活塞桿能自動潤滑。根據漢臣（Haenchen）公司的資料，測得支撐環靠近活塞端的壓力為21MPa，靠近卸油口端的壓力只有5.2MPa，不僅降低對密封件的要求，而且由于存在一定壓力，泄漏油液會自動排出泄油口，而不需要將泄漏油抽回油箱，使振動缸的日常維護更方便。

3.2 間隙密封相關計算

以活塞桿與伺服環處間隙密封為例，間隙密封的性能是由間隙大小、間隙長度、活塞兩端壓力差、活塞桿直徑以及材料加工精度決定的。

間隙大小、間隙長度、伺服環兩端壓力差的計算公式如下：

間隙大小：

間隙長度：

伺服環兩端壓力差：

小麥紅蜘蛛屬于瞞類，是小麥種植過程中的高發蟲害。紅蜘蛛吸食小麥汁液后造成小麥苗上出現斑點，雖然通常不會造成小麥壞死，但是群體密度增大后可造成葉子變成紅褐色、不能抽穗以及植株枯死的情況，春季是此蟲害的高峰期。

式中s為間隙寬度（mm）；

μ—油液動力粘度（Pa·s）；

ΔQ—允許內泄漏量（l／min）；

d—活塞桿直徑（mm）；

ν—液壓介質的運動粘度（mm2／s），近似取δ＝

活塞桿直徑已知時，即可算出s、L、p。

3.3 關鍵元件的優化

3.3.1 活塞與缸體和活塞桿和伺服環的加工及熱處理

活塞與缸體之間、活塞桿與伺服環之間均采用間隙密封，如圖2所示。活塞桿和缸體內壁表面都鍍有特別厚的鍍鉻層并且經過研磨，其表面粗糙度為Rz≤1μm，活塞外圓和伺服環內表面熱噴涂鋁青銅，然后進行研磨，研磨后配合公差均為H7／f7。鍍鉻層具有很高的硬度、耐磨性、耐熱性以及化學穩定性，低摩擦系數和制作成本，鍍鉻層硬度大致為900～1000HV［5］；鋁青銅的強度比一般黃銅高，有很好的耐磨性和耐熱性，其硬度大致為150～200HV［6］。鍍鉻層和鋁青銅涂層的特性正好滿足振動缸工況，并且鍍鉻層的硬度遠遠大于鋁青銅涂層，這樣即使發生碰撞，也不會產生塑性變形，從而增加活塞、缸體、活塞桿和伺服環的使用壽命。

圖2 間隙密封示意圖

3.3.2 導向元件和密封件的選擇

間隙密封液壓缸在受到側向力時，很容易出現拉缸現象。該液壓缸采用聚合物導向元件，其滑動表面可以衰減振動和避免銳邊的擠壓，所以該液壓缸可以在承受一定側向力的情況下而不拉缸。該液壓缸采用耐高溫的FKM材料制作的密封件，它可以在-15℃～200℃環境下正常使用，正好滿足振動缸150℃～180℃的工作條件。

3.4 其他

除了對關鍵元件優化外，一些細節問題同樣值得注意。如采用優良的校直設備，以提高活塞桿和缸筒的直線度；缸體內孔加工時，先粗加工，然后放置一段時間自然去應力，最后再進行精加工；在電鍍過程中嚴格控制每一個環節；做好防銹措施；裝配過程中，嚴格按照裝配流程執行等等。

4 結論

對長期維修記錄分析，總結振動缸的主要失效原因，根據失效原因對關鍵元件進行優化，從而使該間隙密封振動缸具有使用壽命長、價格遠低于進口振動缸、低摩擦、低泄漏、結構緊湊等特點，特別適合用于結晶器振動。目前該液壓缸已在國內多家鋼鐵生產企業使用，平均使用壽命超過兩年，不僅給企業節省大量開支，而且提高了鑄坯質量。

［1］李健.微間隙密封設計及其在旋轉機械中的應用［J］.機械設計與制造，1998（6）.

［2］陳靜.提高連鑄機結晶器振動伺服液壓缸可靠性途徑的初析［J］.液壓與氣動，2013（4）.

［3］左林.連鑄機結晶器振動液壓缸失效原因及處理對策［J］.液壓與氣動，2013（1）.

［4］普學仁.提高鍍鉻層性能的方法［J］.重慶工業高等專科學校學報，2003，Vol.18（1）.

［5］楊水生.液壓缸的間隙密封［J］.潤滑與密封，19 98（5）.

［6］王娟.表面堆焊與熱噴涂［M］.北京：化學工業出版社，2004.