工程機械油缸密封圈失效機理分析及改進

上官琪 許征兵 朱斌強 張璇

摘要：本文對某型工程機械的油缸密封件在工作過程中的內泄露故障進行了分析，確定了內泄露故障的主要原因在于密封件老化失效，并對失效機理進行了分析。依據檢測和分析結果，對液壓系統設計過程中的質量控制提出了改進意見。

Abstract： In this paper analyzes the internal leakage of the cylinder seal in the process of working in a certain engineering machinery. The main reason for the internal leakage is the aging failure of the seal， and the failure mechanism is analyzed. According to the results of test and analysis， the improvement suggestions for the quality control in the design of hydraulic system are put forward.

關鍵詞：密封圈;失效分析;改進

Key words： seal ring;failure analysis;improvement

中圖分類號：TG157? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）16-0058-02

0? 引言

失效廣泛存在于現代工業系統中，導致產品服役期內功能、性能降級或喪失[1]。本文針對某型工程機械液壓油缸內泄露失效事件，開展了全面的檢查與分析。在液壓系統測試的基礎上，對密封圈開展了老化試驗，驗證了密封圈老化失效的機理。確定了液壓系統設計過程中存在的風險和隱患，并相應的提出了質量控制改進措施。

液壓油缸屬于工程機械產品中的核心部件，主要用于執行機構的運動控制，如舉升、前、后傾斜等動作。其主要零部件構成為缸筒、活塞、活塞桿、缸蓋、耳套等，在活塞和缸筒之間安裝有唇形密封圈防止油缸內大小腔內液壓油出現內泄露（圖1）。某小型工程機械連續發生多起油缸內泄露事故，油缸內泄露時，整機主要表現為舉升緩慢、舉升無力等現象。經對油缸拆檢檢查，初步確定為油缸密封圈發生失效，為進一步確定原因，本文對密封圈失效產生的條件和原因進行了分析，確定了失效的原因。

1? 試驗過程與結果

1.1 故障潛在原因分析

根據油缸原理圖，采取演繹法對內泄漏產生的過程進行故障機理推導（圖1），當油缸出現升（縮）動作時，其基本過程如下：

①液壓油由油道口進入無桿腔（有桿腔）;

②活塞在液壓油的作用下向前（后）移動，同時帶動活塞桿向前（后）移動;

③由于活塞與缸筒之間存在間隙，部分液壓有進入間隙，并向有桿腔（無桿腔）流動;

④同時安裝于活塞密封圈安裝槽中的密封圈，利用自身彈性阻擋進入間隙的液壓油繼續向有桿腔（無桿腔）流動，從而實現密封;

⑤當安裝的活塞上的密封圈彈性下降或密封圈安裝出現配合間隙時，對進入間隙的液壓油阻擋作用減弱或消失;

⑥此時，進入間隙的液壓油繼續向有桿腔（無桿腔）流動，則內泄漏產生。

根據分析結果，認為油缸產生內泄漏故障的潛在原因有二：其一為活塞與缸筒之間負責液壓油密封圈，密封圈材質為聚氨酯，存在密封圈彈性衰減的風險。其二為密封圈安裝槽，存在加工尺寸、粗糙度超差的風險。檢測安裝槽加工尺寸和表面粗糙度，均符合相關設計手冊的要求，可排除安裝槽加工過程對故障的影響。液壓油缸內泄露的主要原因是活塞密封圈的密封功能失效造成。

1.2 失效零件宏觀分析

密封圈的宏觀照片顯示，全新的密封圈樣件呈現出原材料應有的淡黃色，而拆解故障油缸中發現的失效密封圈呈現出深黃色。檢測失效密封圈的彈性發現，密封圈已經失去回彈能力，說明密封功能已經喪失，可初步判斷故障模式為密封圈老化（圖2）。

1.3 密封圈失效機理研究

1.3.1 失效時間分析

對30起故障油缸的工作時間分析發現，油缸密封圈的失效時間集中于400-800小時，失效時間均值為670小時（圖3）。密封圈失效事件，屬于典型的早期失效，應從液壓系統的設計角度開展原因調查和分析。

1.3.2 液壓系統溫度分析

考慮到密封圈老化與液壓油溫度具有強相關性。對小型工程機械在工作時的液壓油溫度變化，展開調查。對兩個主要型號的工程機械設備組織高速工作循環測試后發現，液壓系統油溫快速提升，整機運行50分鐘后，液壓系統油溫可達110℃（圖4）。

1.3.3 密封圈老化試驗

為進一步確認液壓油溫對密封圈老化的影響，所選用的密封圈開展老化時間。試驗所用密封圈型號為U801型聚氨酯橡膠，液壓油為HM46型抗磨液壓油，液壓油加熱方式為電阻式加熱器。測試不同溫度條件下，密封圈材料的有效工作時間和完全失效時間。測試表面，油缸密封圈有效工作時間和完全失效時間，在不同溫度下程明顯的變化特征，溫度越高有效工作時間和完全失效時間越短。當液壓系統油溫上升到110℃以上時，密封圈壽命呈現快速下降的趨勢，有效工作時間和完全失效時間均小于1000小時（圖5）。試驗結果與油缸故障時間的分布高度契合，可以確定液壓油缸密封圈失效的主要原因是液壓油溫[2]。

2? 結語

通過對液壓油缸密封圈失效的基本特征分析，判斷液壓系統油溫失控是導致密封圈老化失效的主要原因，是造成早期失效的內在原因。因此，建議采取以下措施：①控制液壓系統油溫：液壓系統增加油溫升溫控制回路，將液壓油溫控制在100℃以下;②提升密封圈耐高溫能力：在成本允許的前提下，選用耐高溫能力較強的橡膠件作為液壓油缸密封圈，如氟橡膠等。

參考文獻：

[1]陶春虎，杜楠，張衛方.失效分析發展問題的思考 [J].失效分析與預防，2006（1）：1-5.

[2]液壓密封系統-密封件[M].NOK株式會社 2006：8-9.

[3]蔣明華.工程機械液壓缸拉缸和密封圈損壞故障診斷研究[D].湖南：湖南師范大學，2017.