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斯凯孚(SKF)助力开发一流液压活塞密封件

2018-11-20 15:25:18
            活塞密封件是液压缸性能的关键。该密封件位于活塞外径的沟槽中,必须抵抗高压液压流体,且不阻碍活塞沿着液压缸运动由于大部分液压缸都是双向运动,因此密封件必须能够承受任意一侧的压力。活塞密封件的设计要求工程师在摩擦和密封性能之间做好平衡。如果过多流体从液压缸高压侧向低压侧泄漏,那么密封件性能会有所降低。另一方面,缸壁上过多的摩擦会导致磨损加剧并缩短运行寿命。活塞密封件的完全失效,即内泄,会引起明显的运行和安全隐患,比如使得建筑或材料处理设备失去对负载的控制。 

    如果油缸的基本参数不够严格的话,活塞密封件也将面临巨大的材料工程挑战。高温高压下,液压流体对密封材料的要求严苛,也可能使油缸其他部件在运行中发生膨胀和收缩。 

    PTFE材料能满足这些要求。它拥有的众多特性都适合于这种功能,包括优异的低动、静摩擦特性以及良好的化学耐受性。然而,PTFE密封件也有其局限性。特别是PTFE密封件有限的弹性使其很难实现无损安装。在安装前,需要用特殊的扩张套拉伸PTFE密封件,然后必须将其校准回正确的直径。对于设备制造商和维护团队而言,该过程需要更长的时间和更多的成本。此外,PTFE 的可塑性意味着这种材料在持续的扭转载荷下很难再恢复其原来的形状,局限了其密封性能。 

    为了克服PTFE 密封件的缺点,SKF的工程师团队尝试根据公司成熟的ECOPUR聚氨酯材料开发可以替代其的密封技术。 
 制造能够匹配PTFE密封件良好性能的聚氨酯密封件远非纸上谈兵,斯凯孚流体密封件战略产品线研发主任Wolfgang Swete解释道,“活塞和缸桶之间的间隙意味着您需要   一种抗挤出性能足够好的材料以在所有运行条件下保持其形状.” 

    斯凯孚测试由其之前最硬的Ecopur聚氨酯制造出的原型密封件,发现其不能达成目标。但是斯凯孚知难而上,利用自己在材料开发和制造能力上的优势生产出了一种特殊等级的Ecopur材料,专门适用于活塞密封件。这种新材料 - X-Ecopur PS – 是目前斯凯孚制造出的硬度最高的聚氨酯. 

    为测试新材料的耐用性,斯凯孚进行了一系列静态抗挤出试验,将材料样本安装在 500bar压力下的固定装置中,挤出间隙根据密封尺寸调整为0.15mm 到0.7mm。然后在60ºC至100ºC的温度下,让样本在固定装置中保持两周的时间,并在测试结束时测量样本的永久变形情况。“在整个测试过程中,X-Ecopur PS的表现远远超出其他商用材料,”Swete说道。 

    有了适当的材料后,斯凯孚团队开始设计合理的密封截面。这是斯凯孚工程师们熟悉的领域,他们通过已经相当成熟的产品开发流程,结合大量用有限元技巧实现的计算机仿真,利用CNC设备快速开发出产品原型,然后在定制的静态和动态测试设备上进行物理测试. 

    通过反复的研发及测试过程,公司获得最终成果,聚氨酯滑动环的外表面上有一个浅浅的“M”形的两个优化后的密封唇口。“与平面密封件相比,带明显密封点的密封件外形提供更有效的密封力,在改进密封性能的同时,减少由密封件产生的摩擦阻力,”Swete说道。“将应力集中在两个密封面上而不是一侧,意味着密封件在使用中不会倾斜,而倾斜会引发提前失效。” 

    对新一代密封件设计的进一步精调与密封件的弹性体相关。它是一种较软的橡胶部件,位于沟槽内聚氨酯滑环的下方,将滑环推向液压缸内壁。在轻载密封件上,弹性体就是一个简单的O形圈,而中至重载设计中则采用特殊形状的丁腈橡胶弹性体. 

   在斯凯孚的新设计中,滑环侧面加入了油槽,用以确保压力快速施加于弹性体上。这种设计使得密封件可以根据压力方向的快速改变而切换位置,减少内泄以及液压缸功能丧失的可能性。侧边的油槽还能降低滑环与弹性体之间困压的情况发生,这种情况也会导致液压缸功能的损失。 

   为验证设计,原型密封件经历了进一步的苛刻测试,包括将400mm行程的测试缸在高达250bar压力和80ºC温度下进行超过200km的运行。试验过程中会测量摩擦和泄漏情况,并在试验完成后测量并检查该密封件,以查看挤出和表面磨损情况。“我们的测试显示,与其他商用密封件相比,新一代密封件拥有更好的性能。”Swete说道。“实际上,我们用于对比的某些标准密封件在测试结束之前就失效了。” 

   斯凯孚目前已开发出全系列的创新活塞密封件,适用于广泛的液压应用。带O形圈弹性体的轻载 LPV系列适用于室内、固定应用的制造机械。 该系列密封件适用于最高250bar的压力,速度最高0.5m/s,温度范围在-20至100ºC之间。中至重载MPV系列适用于要求更高的应用,诸如农业和工程机械等移动设备。MPV 密封件适用于公制沟槽,适用于最高400bar的压力,速度最高1m/s,温度范围在-20至110ºC之间。第三种密封件系列的型号为DPV,与MPV系列提供相同的工况参数,适用于英制沟槽。 

  “令我满意的不仅仅是能够创造出从任何其他聚氨酯产品中脱颖而出的活塞密封件,”Swete 总结道。“而且它的性能至少与优秀的PTFE 密封件不相上下,还具备快速和简单安装等附加优势,为OEM和维护人员带来益处。”

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