傅崇振

（上海康恒环境股份有限公司，上海 201703）

0 引言

液压缸是一种重要的液压执行元件，其能将液压能转变为机械能，且拥有运行平稳、体积小、传递作用力大等优点，被广泛应用于垃圾焚烧炉设备，如架桥破解装置、推料器、炉排和出渣机。但由于炉排炉设备运行工况较差，在现场运行过程中，经常会遇到油缸漏油、渗油现象，一旦出现这些问题，就需要对炉排炉进行压火以方便检修，严重的可能需要停炉处理，大大影响了系统运行稳定性及生产效率。因此，合理选用密封圈并做好运行维护工作是解决炉排炉液压缸泄漏问题的主要保证。

针对密封圈的选用，崔宏英［1］从密封圈的压缩率、过盈量、拉伸量、轴孔配合精度及加工精度、密封圈的宽度与形状、橡胶硬度等方面进行了研究；盛中原［2］通过密封圈的尺寸选择、材料硬度、安装后的初始压缩量、拉伸和挤压、安装沟槽的填满率和圆角、倒锥、允许最大径向间隙等方面进行密封圈的选型与使用研究。这些研究侧重于密封圈材料的物理参数及加工尺寸、精度等，而本文从密封圈的密封原理及炉排炉现场运行条件分析入手，如现场的工作温度、液压油工作压力等，介绍炉排炉液压缸密封圈的选型方法及要点。

针对液压缸密封圈的运行维护，郑之盛［3］从压缩率、拉伸率、胶料特性和配合件加工精度4 个方面，分析了O 型圈密封性能失效的形式和原因。之前的研究侧重于设计及安装方面的分析，本文结合炉排炉油缸现场运行工况，分析了密封圈失效的原因，并总结了炉排梁液压缸在装配及运行过程中的维护方法。

1 O型密封圈的密封原理

液压缸的密封主要依靠O 型密封圈，O 型密封圈的工作原理是通过安装时给密封圈的预紧力P0和运行过程中液压油给的工作压力P共同作用，使O 型密封圈产生弹性形变ε，形变产生接触应力σ，该应力可以阻止液压油从接触缝隙泄漏，达到密封效果，如图1 所示。

图1 O型圈作用原理

依照《材料力学》［4］的广义虎克定律：

因O型密封圈沟槽通常是由优质金属材料制造的，在介质压力P的作用下，金属材料在x、y方向的变形极小，近似等于0［5］，所以：

查得橡胶密封材料的泊松比为0.47［6］，代入公式可得：

由此可见，介质压力越高，O 型密封圈作用于接触表面的附加接触应力也越大，这就是O型密封圈的密封原理。

2 O型密封圈的材质选用

目前用作油缸密封的材料主要有丁腈橡胶、聚氨酯橡胶、氟橡胶及氢化丁腈橡胶。选择密封圈的材质，需要根据以下几个前提条件选择：工作介质（液压油）；油缸油温及周围工作环境温度；工作压力及使用频率等。

2.1 工作介质

选择与使用液压油匹配的密封材质很重要，若选择错误，密封圈材质会产生劣化，造成密封圈损坏。各密封材质适用工作油如表1 所示。由表可知，因为焚烧炉炉排液压系统使用的液压油是一般矿物性工作油，因此4 种密封均可使用。

表1 各密封材质适用工作油

2.2 工作温度

橡胶材料建议的最高使用温度，一般都是根据ASTM D573等橡胶热老化测试标准，采用热空气加速老化测试出来的结果。在实际应用工况中，需要结合工作介质的腐蚀性，预留一定的安全余量［7］。

由于炉排区域离燃烧区域较近，液压缸工作环境温度偏高，一般在60 ℃左右，少数情况恶劣的，液压缸活塞杆温度测量超过90 ℃，可根据表2 所示的各密封材质耐温性能，选取适合的密封圈材质。

表2 各密封材质耐温性能

2.3 工作压力及工作频率

各密封材质适用工况如表3 所示。

表3 各密封材质适用工况

O型密封圈材料的硬度选择主要取决于工作压力，炉排油缸额定工作油压为12 MPa，最大工作压力为14 MPa，所以4 种材质均满足要求，聚氨酯橡胶及氢化丁腈橡胶性能更优。

几种密封圈材质的对比分析如下。

（1）聚氨酯橡胶

聚氨酯橡胶的拉伸强度是丁腈橡胶的2.5 倍左右，因此其耐压性、耐磨性非常优异。但是聚氨酯橡胶长期使用后，由于受热及工作油的劣化（与油温产生叠加效应），会导致橡胶材质发生变化，因此每隔1 年左右需要拆卸检查1 次。

（2）丁腈橡胶

（3）氢化丁腈橡胶

在高温条件下需要比氟橡胶更好的耐磨损性，或在常温条件下需要比丁腈橡胶更好的耐磨损性时，使用氢化丁腈橡胶是最佳选择。

综上，低温区炉排设备的油缸选择使用丁腈橡胶，高温区域的油缸建议使用氢化丁腈橡胶。

3 现场密封失效原因分析

密封圈常见的失效形式有永久变形、间隙咬伤、颗粒磨损、扭曲现象、焦耳热效应、表面磨损［8］等，导致这些失效形式的原因有很多，以下为焚烧炉液压缸密封圈常见的几种失效原因。

3.1 拆装损坏

油缸出现漏油、渗油问题后，现场工人一般就地进行拆卸及检修，由于受场地、工具和施工人员能力限制，或多或少会对油缸零件造成损伤，如强拆油缸的过程中造成活塞杆刮伤等。另外，如果在焚烧车间内直接拆解油缸，由于周围环境灰尘较多，易导致油缸本体内混入杂质，检修完成恢复运行后，运行过程中杂质会磨损油缸密封圈及活塞杆，运行不久后又会出现渗油情况，如图2 所示。

图2 拆装受损导致漏油

3.2 储藏保管不善

备件油缸及待发货油缸存放时需要保持竖直放置，若将油缸平放，由于受重力影响，油缸活塞杆受重力直接压在一侧密封圈上，长时间放置会导致局部密封圈长期受力，发生不可逆的形变，导致油缸加压运行后出现漏油现象，如图3 所示。

图3 油缸结构

3.3 工作环境恶劣

垃圾焚烧炉在运行过程中周围温度会升高至50 ℃左右，由于油缸与伸进炉膛的顶杆相连，热量会由顶杆传导至油缸本体，导致油缸活塞杆温度升高，最高可达90 ℃左右，过高的温度会加速密封圈的老化、硬化，最终导致密封圈失效。另外，焚烧炉运行时产生大量细灰，在长时间运行后一些密封装置会出现磨损、损耗及缝隙，部分细灰易泄漏出来。正常情况下，油缸会带有防尘罩隔绝细灰，但防尘罩经过长时间伸缩运动达到疲劳极限后会出现破损失效的情况，细灰会附着在活塞杆上被带入油缸本体，造成密封圈磨损和油质污染，如图4 所示。

图4 活塞杆及缸筒磨损

3.4 油质污染

液压系统如果不经常滤油，液压油中就会含有大量杂质，易导致密封圈和油杆的磨损，最终导致漏油，如图5 所示。

(2)矢量控制系统代替方向舵，可以减少甚至取消由于方向舵面与垂尾之间缝隙产生的寄生阻力。在方向舵和垂直尾翼之间的具有旋转缝隙，由于这个旋转缝隙的存在，飞机在飞行过程中，气流经过这个旋转缝隙时，由于缝隙的扰动作用，会在这个缝隙中产生涡流，同时产生寄生阻力(夜叫干扰阻力)，由于矢量控制系统的引入，方向舵被取代，方向舵和垂尾组成一个整体，形成新的垂直尾翼，就可以抵消掉由于缝隙处的气流分离产生的涡流导致的干扰阻力，增加飞机的整体性能。

图5 液压油污

3.5 设备安装存在问题

设备在组装过程中，如果驱动装置组装存在误差，导致油缸活塞杆在运行过程中偏向一侧，易导致油缸密封圈长时间单侧受力磨损，大大缩减寿命。

3.6 油缸内气体未排出

调试期间没有将油缸内气体及时排出会导致油缸在工作时压力积聚，随即高温高压气体产生的爆炸现象会导致密封圈发生烧损［9］，如图6 所示。

图6 密封圈烧损

4 解决措施

4.1 规范装配流程

油缸检修建议发回原厂检修维护，原厂可以提供更好的检修环境和更专业的检修人员。若由于项目紧急且无备用油缸的情况下，建议将油缸转移至环境较好的检修室内完成拆装，如图7 所示。

图7 专业的检修平台

拆装过程零件需轻拿轻放，且拆卸完成后各零件需用汽油清洗，如图8 所示。

图8 零件清洗

O型密封圈装配要点：（1）安装前检查O型密封圈表面质量、集合尺寸和精度，不得有飞边、毛刺、裂痕、切边、气孔和疏松等缺陷；（2）仔细检查工件，保证往复运动的轴和孔有较好的同轴度；（3）装配过程前需涂抹润滑油；（4）装配和拆卸过程中应注意防止O型密封圈擦伤、刮伤；（5）拉伸状态下安装的O型密封圈，为使伸张后的断面恢复成圆形，装入槽后应放置适当时间后再将配套件装上［10］。

4.2 做好储藏及保管工作

在储存过程中，液压缸需保持竖直放置，且用塑料膜包裹严密。密封圈的存放需注意因氧化变质引起的性能下降，存放密封圈的时间不应超过1.5 年，保存时要避免阳光直射，又要防潮、防热、防酸、防碱等，也不允许用绳子或铁丝将其串挂保存［11］，如图9 所示。

图9 油缸存放

4.3 优化工作环境

需做好炉排设备的密封，尽量减少油缸区域的灰尘；做好焚烧炉设备的保温工作，优化油缸区域的检修和通风空间，降低油缸周围的温度，以保证油缸密封圈的寿命。

4.4 优化液压缸设计

通过将顶杆密封设计为双道密封，延长密封圈更换周期；针对高温问题，选用更耐温耐磨的材质，提高密封圈的寿命。

4.5 严格控制设备组装精度，规范设备安装及调试流程

在设备制造厂家需严格验收，保证零件加工精度及设备组装精度；现场在安装设备过程中需严格按照安装资料要求安装，放线、找正需控制精度，确保设备平稳运行；调试期间需确认液压油品质及有缸内气体是否完全排出。

4.6 定期过滤、更换液压油

加强液压油的检测与管理，液压油的污染控制一般为NAS9级，即液压油中直径大于10 μm 的污染物颗粒浓度必须小于3 mg／100 ml［12］，若超过标准需及时更换液压油。另外，液压油不得混用，添加液压油时必须要求与原液压油同一品牌、同一型号。

5 结束语

油缸密封圈寿命的长短受很多因素影响，从设计到组装、储存，到最后运行和维护阶段都会存在影响。为了提高油缸密封圈的使用寿命，在设计阶段应根据实际使用工况选用适合的材质；在制造阶段应保证设备零件的加工精度并规范设备装配流程，确保设备安装精度；在使用阶段应保证对油缸定期检查维护、不断优化油缸工作环境，并定期滤油、换油。油缸是整个炉排系统各设备的核心驱动部件，保证了油缸密封圈的寿命，就是保证了现场设备的稳定运行和整厂的生产效益。