液压轮胎硫化机油缸的故障分析和维修对策

朱宪磊，张正罗，廖建忠

(江苏华澳橡胶机械有限公司，江苏 滨海 224500)

液压轮胎硫化机是轮胎制造过程中的关键设备，该设备的稳定运行直接影响轮胎工厂的产能。液压硫化机的关键动作是由油缸驱动，也就是液压能转变为机械能，在该设备的实际运用当中，让使用者最感头痛的事情就是液压泄露问题，液压泄露问题也是轮胎厂客户选择液压硫化机时最为关心的问题，本文主要讲述在液压硫化机使用过程中，开合模油缸和上环油缸的泄露现象、原因分析和维修对策。

1 液压轮胎硫化机主机开合模油缸泄露的原因分析和维修对策

该油缸的功能是驱动横梁升降，使轮胎模具打开和闭合。该油缸的特点是行程长、负载重。在使用过程中，该油缸常见的泄露现象如图1所示。

图1 开合模油缸的泄露现象

1.1 分析过程

设备使用工况：三班工作制

设备使用环境: 温度:Max.70 ℃，Min. 7 ℃；相对湿度：Max. 95%。

现象：在活塞杆和缸盖连接处漏油。

将上缸盖拆卸后，其实物如图2所示，该密封结构包括：防尘圈、U型密封圈、斯特封以及铜导向环，其结构如图3所示。

图2 缸盖密封实物图

拆卸后，经过检查发现：

（1）最外侧的防尘圈表面没有明显拉伤和磨损

（2）中间是一道U型圈，发现U型圈内侧表面整圈有拉伤的痕迹，局部压痕明显，如图4所示。

图3 缸盖密封原理图

图4 U型圈内表面损伤

（3）最内侧是一道斯特封密封，检查发现斯特封导向环厚度不均匀，有局部压迫现象，在O形圈表面发现有金属的细微颗粒，如图5和图6所示。

图5 斯特封表面拉伤

图6 O形圈表面污染

（4）观察导向铜套的表面，发现局部有磨损现象，并且表面有脏的油污，如图7所示。

图7 铜导向套局部磨损

综上所述，油封失效是导致泄露的原因。斯特封厚度出现了明显不均匀，另外铜导向套也出现了局部磨损，说明油缸受到偏载荷，偏载荷超过了斯特封的抗压强度,导致了受压变形。斯特封表面拉伤以及O形圈的表面有金属颗粒和油污，说明液压油中有杂质或氧化物。

1.2 解决方案

1.2.1 油缸受外界偏载荷问题的解决

现有油缸的导向是采用铜材质，该材质的缺点是，当油缸受到偏载磨损后，不能补偿，不能吸收油缸受到的侧向力，另外当铜套磨损时，会出现金属颗粒污染液压油。所以我们将导向元件的材质改善为非金属材料。非金属导向带的优点如下：

（1）避免了金属之间的直接磨损。

（2）具有超强的耐磨性和补偿能力。

（3）具有吸收振动和侧向力的能力。

（4）承载和抗污染能力强，能够允许异物嵌入。

（5）摩擦系数小，无爬行。

（6）安装方便，维护费用低。

（7）成本低，节约了大量的昂贵金属。

导向带的选型，根据该油缸的使用工况，三班制，液压轮胎硫化机是产生高压力的设备，工作环境温度高，受力复杂，属于重载液压设备。所以优先选用酚醛树脂的导向材料，该材料的特点是：使用温度120 ℃以下，载荷90 MPa，承受载荷的能力强。

初步估算导向带的导向长度，导向带的导向长度计算公式为：

其中T—导向带的导向长度

F—油缸承受的最大偏载力，在半钢子午胎液压硫化机种，开合模油缸提升的部件重量为80000 N，在极限条件下，偏载力按重量估算，也就是F=80000 N；

f—安全系数，取f=2；

d—开合模油缸活塞杆直径，半钢液压轮胎硫化机开合模油缸活塞杆直径为70 mm；

Pr—酚醛树脂的比压，Pr=90 MPa；

将上述数据带入上式可得：

T=25.4 mm

根据标准的导向带长度，如表1所示，以及导向带的间隔布局，我们选择3道宽度为9.7 mm的导向带。

表1 导向带的选型表

所以新的密封结构设计如图8所示。

图8 缸盖新密封结构

除了上述油缸活塞杆导向的优化，同时对防尘圈和U型密封圈的材质进行了优化，聚氨酯橡胶的拉伸强度是丁腈橡胶的2倍，并且其耐压性和耐磨性非常优异，因此将防尘圈和U型密封圈的材质由丁腈橡胶变更为聚氨酯橡胶。

1.2.2 油缸自身偏载荷问题的解决

油缸的自身偏载是在加工和装配过程中造成的，开合模油缸的结构如图9所示。

图9 开合模油缸外形图

该油缸的安装方式为耳轴安装，此形式的油缸对活塞杆中心线和耳轴中心线的垂直度要求比较高，需要控制活塞杆和耳轴的垂直度，保证活塞杆伸出时偏摆在±0.8 mm/m以内，超过此要求的油缸需要返修或调校处理。

活塞杆垂直度的检测工装如图10所示，将油缸按要求放置在检测工装上，让活塞杆完全伸出，用千分表测量活塞杆底端和顶端的变化，然后计算偏摆量是否满足要求。

图10 油缸活塞杆垂直度检测工装

1.2.3 液压油的清洁

斯特封内表面拉伤，O形圈表面油金属颗粒以及导向套内表面有灰色油污，说明液压油系统内有杂质和氧化物，杂质的来源有以下几个环节：①油缸内部的不清洁；②钢管内部异物；③液压阀块加工时毛刺没有清理干净；④油箱组装前没有清理干净。灰色油污的来源是外部的灰尘或者管路焊接接头部位的氧化皮。

解决液压油污染的对策是将油箱中的液压油进行外部循环过滤，将外部循环液压车安装5 μm的滤芯，对油箱内的液压油过滤3～5个循环。油液清洁度和滤芯精度的对照表，如表2所示。

表2 油液清洁度和滤芯精度之间的对应关系

通过上述对液压泄露的原因分析和相关零部件的优化，提高了油缸的可靠性和使用寿命，从根本上解决了开合模油缸的泄露的问题。

2 液压轮胎硫化机中心机构上环升降油缸泄露的原因分析和维修对策

该油缸的功能是驱动中心机构上卡盘升降，以实现装胎和定型。该油缸的使用特点是油缸活塞杆兼具中心机构中心杆的作用，轮胎硫化时，活塞杆会进入到轮胎胶囊内，由于硫化介质的温度在205 ℃，所以活塞杆长期工作在高温的环境中。该油缸常见故障是活塞杆密封失效泄露，如图11和图12所示。

图11 油缸缸盖部位

图12 缸盖密封

2.1 分析过程

设备使用工况：三班工作制，周围环境最高温度：110 ℃。

该油缸的基本结构如图13所示。

图13 上环油缸密封基本机构

该密封结构由防尘圈（材质FKM）、U型密封圈（材质FKM）和斯特封构成，导向元件的材质为铜。

将油缸拆解，仔细检测后发现如下情况：防尘圈挤压撕裂严重，如图14所示；U型密封圈内圈磨损严重，如图15所示；斯特封导向圈内圈磨损，其O形圈表面有多个小凹坑，如图16所示。

图14 损坏的防尘圈

图15 U型密封圈内圈磨损严重

引起上述密封圈失效的原因分析，上环油缸的安装结构，如图17所示，油缸属于埋入式安装，油缸位于环座的正下方，且距离环座较近，环座中设置了一组v组合蒸汽密封圈，是用来防止胶囊内的蒸汽泄露，油缸活塞杆和中心机构中心杆共杆，所以活塞杆长期在高温蒸汽的环境中工作。

图16 斯特封内表面磨损，O形圈表面有凹坑

图17 上环油缸的安装

在拆卸上环油缸时，同时拆除环座密封，发现环座密封的外表面磨损严重，环座密封的V型密封唇口已完全磨平，已起不到完全密封蒸汽的作用。所以在轮胎硫化过程中，蒸汽会从环座密封面缝隙中泄露，并沿活塞杆表面流入到防尘圈的部位，同时热水中混有被磨损的V组合圈颗粒，另外防尘圈的材质为FKM，即氟橡胶，该材料虽然耐高温，但是在水蒸气的使用环境下效果却不好。活塞杆的热传导率非常高，处于胶囊内部分温度高，热量会传递到缸盖的密封部位。因此高温、热水、颗粒交织在一起，首先导致防尘圈失效，防尘圈失效后，颗粒进入到内测的密封圈，引起密封圈的损坏，最终导致整套密封组件失效，使油缸泄露。环座蒸汽密封圈的磨损情况，如图18所示。

图18 环座密封外表面磨损

2.2 解决方案

根据上述原因的分析，重新设计了活塞杆密封结构，该结构如图19所示。

图19 缸盖新密封结构

此密封结构包括调节螺母、刮环、导向套、格莱圈、U型密封圈和斯特封。金属刮环取代了氟橡胶防尘圈，刮环材质采用铜，有优良的耐磨性和一定的弹性。刮环前端开有刃口，刮环有外锥面形状，它像是一个油压接头的卡套。调节螺母固定在导向套上，前端有内锥面形状，像是油压接头的螺母，拧紧调节螺母，通过锥面压紧刮环，使刮环的刃口压在活塞杆表面。刮环作为一种金属防尘圈，克服了氟橡胶防尘圈不耐高温蒸汽、寿命短的问题，同时前端的刃口更容易刮除灰尘、颗粒以及活塞杆表面黏附的油污。另外在U型密封圈的前端增加一道格莱圈，它是双作用密封圈，外侧可以防尘，内侧可以防油，从而保护内侧的U型密封圈和斯特封。新结构密封的设计，经过长时间的使用验证，得到了良好的效果。图20是新结构密封现场更换时情况。

图20 新结构密封更换

3 油缸其它常见的泄露原因和处理对策

（1）格莱圈横向撕裂,表面有许多裂纹，原因是密封件已经达到了其疲劳极限。解决的办法是更换密封件，同时对系统进行清洗或更换新油

（2）格莱圈与活塞杆的接触面出现飞边，原因是与密封件相配的活塞杆表面粗糙度太低。解决这类问题的措施是，在进行密封结构设计时，采用与密封件相适应的表面粗糙度。

（3）斯特封O形圈表面出现大量大小不同的凹坑，沟槽内有部分炭化痕迹。这是系统中没有排净的空气绝热压缩引起了焦烧，残存空气绝热压缩可在瞬间产生高温，远超过密封材料的耐热极限。为防止这类问题的出现，可采取以下措施：液压油缸启动之前，尽量排净系统内的空气，装配前在密封件的沟槽内加入润滑脂以防止空气积累。

4 结论

通过对液压轮胎硫化机开合模油缸以及中心机构上环油缸的泄露分析，我们找到了油液泄露的根本原因，并且把这些理论应用实践生产中，经过长期的使用验证，证明了我们采取的措施是正确的。解决了油缸泄露问题，减少了停机维修时间，大大提高了液压硫化机的生产效率，为轮胎厂客户增加了良好的经济效益。