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斯凱孚（SKF）助力開發(fā)一流液壓活塞密封件

2018-08-22

　　活塞密封件是液壓缸性能的關(guān)鍵。該密封件位于活塞外徑的溝槽中，必須抵抗高壓液壓流體，且不阻礙活塞沿著液壓缸運(yùn)動。由于大部分液壓缸都是雙向運(yùn)動，因此密封件必須能夠承受任意一側(cè)的壓力?；钊芊饧脑O(shè)計要求工程師在摩擦和密封性能之間做好平衡。如果過多流體從液壓缸高壓側(cè)向低壓側(cè)泄漏，那么密封件性能會有所降低。另一方面，缸壁上過多的摩擦?xí)?dǎo)致磨損加劇并縮短運(yùn)行壽命?；钊芊饧耐耆?，即內(nèi)泄，會引起明顯的運(yùn)行和安全隱患，比如使得建筑或材料處理設(shè)備失去對負(fù)載的控制。

　　如果油缸的基本參數(shù)不夠嚴(yán)格的話，活塞密封件也將面臨巨大的材料工程挑戰(zhàn)。高溫高壓下，液壓流體對密封材料的要求嚴(yán)苛，也可能使油缸其他部件在運(yùn)行中發(fā)生膨脹和收縮。

　　PTFE材料能滿足這些要求。它擁有的眾多特性都適合于這種功能，包括優(yōu)異的低動、靜摩擦特性以及良好的化學(xué)耐受性。然而，PTFE密封件也有其局限性。特別是PTFE密封件有限的彈性使其很難實現(xiàn)無損安裝。在安裝前，需要用特殊的擴(kuò)張?zhí)桌霵TFE密封件，然后必須將其校準(zhǔn)回正確的直徑。對于設(shè)備制造商和維護(hù)團(tuán)隊而言，該過程需要更長的時間和更多的成本。此外，PTFE的可塑性意味著這種材料在持續(xù)的扭轉(zhuǎn)載荷下很難再恢復(fù)其原來的形狀，局限了其密封性能。

斯凱孚活塞密封件適用于廣泛的液壓應(yīng)用

　　為了克服PTFE密封件的缺點，SKF的工程師團(tuán)隊嘗試根據(jù)公司成熟的ECOPUR聚氨酯材料開發(fā)可以替代其的密封技術(shù)。

　　制造能夠匹配PTFE密封件良好性能的聚氨酯密封件遠(yuǎn)非紙上談兵，斯凱孚流體密封件戰(zhàn)略產(chǎn)品線研發(fā)主任Wolfgang Swete解釋道，“活塞和缸桶之間的間隙意味著您需要一種抗擠出性能足夠好的材料以在所有運(yùn)行條件下保持其形狀。”

　　斯凱孚測試由其之前Z硬的Ecopur聚氨酯制造出的原型密封件，發(fā)現(xiàn)其不能達(dá)成目標(biāo)。但是斯凱孚知難而上，利用自己在材料開發(fā)和制造能力上的優(yōu)勢生產(chǎn)出了一種特殊等級的Ecopur材料，專門適用于活塞密封件。這種新材料-X-EcopurPS–是目前斯凱孚制造出的硬度Z高的聚氨酯。

　　為測試新材料的耐用性，斯凱孚進(jìn)行了一系列靜態(tài)抗擠出試驗，將材料樣本安裝在500bar壓力下的固定裝置中，擠出間隙根據(jù)密封尺寸調(diào)整為0.15mm到0.7mm。然后在60℃至100℃的溫度下，讓樣本在固定裝置中保持兩周的時間，并在測試結(jié)束時測量樣本的永久變形情況。“在整個測試過程中，X-Ecopur PS的表現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他商用材料，”Swete說道。

　　有了適當(dāng)?shù)牟牧虾螅箘P孚團(tuán)隊開始設(shè)計合理的密封截面。這是斯凱孚工程師們熟悉的領(lǐng)域，他們通過已經(jīng)相當(dāng)成熟的產(chǎn)品開發(fā)流程，結(jié)合大量用有限元技巧實現(xiàn)的計算機(jī)仿真，利用CNC設(shè)備快速開發(fā)出產(chǎn)品原型，然后在定制的靜態(tài)和動態(tài)測試設(shè)備上進(jìn)行物理測試。

　　通過反復(fù)的研發(fā)及測試過程，公司獲得Z終成果，聚氨酯滑動環(huán)的外表面上有一個淺淺的“M”形的兩個優(yōu)化后的密封唇口。“與平面密封件相比，帶明顯密封點的密封件外形提供更有效的密封力，在改進(jìn)密封性能的同時，減少由密封件產(chǎn)生的摩擦阻力，”Swete說道。“將應(yīng)力集中在兩個密封面上而不是一側(cè)，意味著密封件在使用中不會傾斜，而傾斜會引發(fā)提前失效。”

　　對新一代密封件設(shè)計的進(jìn)一步精調(diào)與密封件的彈性體相關(guān)。它是一種較軟的橡膠部件，位于溝槽內(nèi)聚氨酯滑環(huán)的下方，將滑環(huán)推向液壓缸內(nèi)壁。在輕載密封件上，彈性體就是一個簡單的O形圈，而中至重載設(shè)計中則采用特殊形狀的丁腈橡膠彈性體。

　　在斯凱孚的新設(shè)計中，滑環(huán)側(cè)面加入了油槽，用以確保壓力快速施加于彈性體上。這種設(shè)計使得密封件可以根據(jù)壓力方向的快速改變而切換位置，減少內(nèi)泄以及液壓缸功能喪失的可能性。側(cè)邊的油槽還能降低滑環(huán)與彈性體之間困壓的情況發(fā)生，這種情況也會導(dǎo)致液壓缸功能的損失。

　　為驗證設(shè)計，原型密封件經(jīng)歷了進(jìn)一步的苛刻測試，包括將400mm行程的測試缸在高達(dá)250bar壓力和80℃溫度下進(jìn)行超過200km的運(yùn)行。試驗過程中會測量摩擦和泄漏情況，并在試驗完成后測量并檢查該密封件，以查看擠出和表面磨損情況。“我們的測試顯示，與其他商用密封件相比，新一代密封件擁有更好的性能。”Swete說道。“實際上，我們用于對比的某些標(biāo)準(zhǔn)密封件在測試結(jié)束之前就失效了。”

　　斯凱孚目前已開發(fā)出全系列的創(chuàng)新活塞密封件，適用于廣泛的液壓應(yīng)用。帶O形圈彈性體的輕載LPV系列適用于室內(nèi)、固定應(yīng)用的制造機(jī)械。該系列密封件適用于Z高250bar的壓力，速度Z高0.5m/s，溫度范圍在-20至100℃之間。中至重載MPV系列適用于要求更高的應(yīng)用，諸如農(nóng)業(yè)和工程機(jī)械等移動設(shè)備。MPV密封件適用于公制溝槽，適用于Z高400bar的壓力，速度Z高1m/s，溫度范圍在-20至110℃之間。第三種密封件系列的型號為DPV，與MPV系列提供相同的工況參數(shù)，適用于英制溝槽。

　　“令我滿意的不僅僅是能夠創(chuàng)造出從任何其他聚氨酯產(chǎn)品中脫穎而出的活塞密封件，”Swete總結(jié)道。“而且它的性能至少與優(yōu)秀的PTFE密封件不相上下，還具備快速和簡單安裝等附加優(yōu)勢，為OEM和維護(hù)人員帶來益處。”