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產品知識

帶涂層的氣缸活塞桿密封問題

2020-06-17

密封件的摩擦和磨損，尤其是活塞桿密封，對液壓油缸的效率和使用壽命有著決定性的影響。當液壓泵的使用壽命足夠長時，密封件摩擦對液壓系統效率的影響就變得不再那么重要，而成為次要因素。在這種情況下，安裝在油缸中的密封件的主要任務和作用就是：防止泄漏和阻止異物進入液壓系統，例如在疏浚河道的挖掘機那樣惡劣的工作環境中。


對于液壓設備的使用者來講，除了液壓設備的操作舒適性之外環境保護也變得越來越重要。而環境保護首先就對油缸密封和活塞桿密封的摩擦性能提出了很高的要求。過高的靜摩擦和動摩擦系數不僅會對密封件的耐磨性能有較強的反作用，對整個液壓系統的效率也非常不利，而且還會帶來其他負面影響，如不希望的爬行和長時間停機后很高的再啟動扭矩。


不良的摩擦特性是產生密封噪聲的根源，這會嚴重影響環境。因此，從環境保護的角度出發，用涂層技術替代鍍硬鉻是一個非常有效的方案。


涂層對摩擦、泄漏和磨損的影響


隨著使用時間的增加活塞桿鍍硬鉻層的表面質量特性或者粗糙度都會發生變化。使用時間越長，活塞桿密封阻力增加或使密封件出現細小裂紋，最終致使活塞桿的鍍鉻層脫落，在整個伸縮運動范圍內形成長條的磨痕。這些變化對整個摩擦學系統都有著非常不利影響，而且還可能導致液壓設備的失效。


為了解決上述問題，長時間保持活塞桿的表面粗糙度和結構不發生變化，人們研發了新的涂層工藝和技術。大量的試驗數據和結果表明：涂層對活塞桿密封的摩擦、泄漏以及磨損性能都有著非常重要的影響和作用。在“密封可靠性”的測試中，新涂層表現良好，而且還能提高活塞桿密封的耐磨損性能，并通過泄漏提醒用戶進行預防性的維護保養，有效防止失效事故的發生。


對不同涂層材料的活塞桿密封的摩擦特性、泄漏和磨損性能進行了大量測試。其中包括不同生產廠家生產的、有著不同粗糙度的鍍鉻活塞桿；有PTFE涂層的鍍硬鉻活塞桿；噴涂HVOF涂層的活塞桿；帶和不帶陶瓷涂層的活塞桿；鹽爐滲氮的活塞桿；等離子滲氮的活塞桿（滲氮后磨削和不磨削）；化學鍍鎳的活塞桿；熔焊鍍層的活塞桿以及氮化的和碳氮共滲的活塞桿。


在所有測試開始之前和結束之后都對活塞桿的表面粗糙度特性進行了測定，記錄了表面質量的變化情況。OD型、B3型和BS型活塞桿密封件的動態性能試驗都是在萬能液壓試驗臺上進行的，而試驗參數都是按照企業標準和國際標準來選擇并確定的。耐久性能測試按照ISO 7986標準進行（圖2）。根據ISO 7986標準選擇的耐久性能測試參數有工作壓力P（根據活塞桿的運動方向為0～0.2MPa）、液壓油溫度T（65℃）、持續時間（500km，相當于一百萬次負載轉換）、活塞桿直徑（36mm）、行程長度（250mm）、滑動速度（0.15m/s）和液壓油（HLP 46礦物油）。


圖3 B3 U形密封圈（3646 P5008）在硬鉻替代涂層性能測試中得出了符合要求的摩擦性能（P=20MPa，T=60℃）


相似的檢測結果


在不同涂層材料的活塞桿動態性能測試中，OD型、B3型和BS型的密封件都進行了短時摩擦和持久泄漏性能的測試。圖3所示是B3型密封在滲氮活塞桿鍍硬鉻和替代活塞桿涂層試驗結果的比較。除Schu 1活塞桿外，其余不同U形密封件在不同涂層的活塞桿上試驗得到的摩擦力和磨損基本一致。


試驗結果表明：適于所有應用場合的涂層是不存在的。無論是傳統的硬鉻鍍層還是作為替代方案的表面涂層，對活塞桿的運動方式所產生的影響都是不同的，各有優缺點。要設計出適用于特定應用場合的最佳密封系統，就要與密封件生產廠緊密合作，對活塞桿、潤滑材料以及密封件構成的摩擦學動力系統進行細致的技術分析。

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