白秋平,惠軍勝,王 崗

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司金屬分公司,陜西 西安 710177)

冷等靜壓機增壓器故障分析與改進

白秋平,惠軍勝,王 崗

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司金屬分公司,陜西 西安 710177)

根據(jù)冷等靜壓機增壓器、密封環(huán)的結(jié)構(gòu)及工作原理,深入分析了冷等靜壓機在使用過程中增壓器經(jīng)常出現(xiàn)故障的原因。從密封環(huán)的材質(zhì)、公差配合精度及密封方式等關(guān)鍵點設(shè)計改進方案,經(jīng)過對比實驗得出較佳參數(shù)。通過改進不但大幅增加了配件的使用壽命、延長了冷等靜壓機檢修周期、提高設(shè)備運轉(zhuǎn)率,而且突破了增壓器關(guān)鍵配件技術(shù)封鎖,并終結(jié)了關(guān)鍵配件外購,降低了維修成本。

冷等靜壓;增壓器;密封環(huán);鋁青銅;使用壽命

0 前 言

等靜壓成型早在1913年由美國西屋電燈公司H.D.Madden首次發(fā)明并在生產(chǎn)耐火材料中得到應(yīng)用,60年代后等靜壓成型向著生產(chǎn)大尺寸、特種耐火材料發(fā)展。中國于70年代中期引進、開發(fā)、研究及制造等靜壓設(shè)備,如上海重型機器廠等生產(chǎn)的該設(shè)備已在上海碳素廠等一批工廠中使用。自80年代初至今,我國先后從國外引進了幾十臺等靜壓機及其制造的工藝技術(shù),經(jīng)過廣大科技人員的努力奮斗,在設(shè)備制造、備品備件國產(chǎn)化、工藝技術(shù)的國產(chǎn)化及應(yīng)用范圍等方面都取得了重大進展,有些方面的技術(shù)超過世界先進水平。目前等靜壓技術(shù)已在粉末冶金、特種陶瓷、耐火材料、碳材料、復(fù)合材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

冷等靜壓機的基本原理是帕斯卡定律,即加在密閉容器內(nèi)的液體壓強能夠按照它原來的大小向各個方向均勻傳遞。冷等靜壓的過程是,利用高壓泵把液體介質(zhì)壓入鋼制的高壓密封容器內(nèi),在彈性模套內(nèi)的粉料在各個方向上同時受到液體傳遞的均衡壓力,從而獲得密度分布均勻和強度較好的壓坯。冷等靜壓一般采用液體(水或油)作為壓力傳遞介質(zhì),熱等靜壓用惰性氣體作為壓力傳遞介質(zhì),例如,氮氣或氬氣。同模壓法比較,等靜壓的優(yōu)點是可以成型復(fù)雜形狀和尺寸大的制品(例如,具有凹形、空心、細長件和大件等),摩擦、磨損小,成型壓力小、模具易制作、密度均勻,可獲得接近完全致密的材料。同注漿法比較,等靜壓法不需要嚴(yán)格控制料漿的性能,不必干燥。同擠壓法比較,長的棒材、管材不易干燥開裂和變形。等靜壓制在鉬粉冶工程中是必不可少的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一,承擔(dān)著重多種產(chǎn)品的成形任務(wù),如各種規(guī)格的棒、板、管、電極以及形狀復(fù)雜的異型件等,壓坯重量從幾千克到數(shù)百千克不等。如果等靜壓機出現(xiàn)故障,生產(chǎn)環(huán)節(jié)被打斷,直接、間接損失無法估算。本文根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗結(jié)合等靜壓原理,對等靜壓機故障進行了積極的探索和改進。

1 等靜壓機故障現(xiàn)象及原因分析

增壓器是冷等靜壓機中一個重要的組成部分,其功能是將工作液體壓進主缸,使主缸壓力達到高壓狀態(tài),一般可達200 MPa或更高。增壓器可謂是等靜壓機的心臟,雖然其他部位也產(chǎn)生故障,但大都比較簡單,能夠快速處理,而增壓器一旦出現(xiàn)故障就必須停機檢修,一般檢修期長達6～10 d。生產(chǎn)過程中,等靜壓機經(jīng)常出現(xiàn)故障,大概3個月左右1次,故障初期表現(xiàn)為,增壓時間延長、高壓無法保持、或者根本達不到設(shè)定的壓力,嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。檢查增壓器導(dǎo)液管,發(fā)現(xiàn)高壓腔液體通過密封面回噴現(xiàn)象,可初步判斷是增壓器無法正常工作。

為深入探明增壓器故障原因,打開增壓器,逐步取出所有密封環(huán),經(jīng)仔細檢查發(fā)現(xiàn)在內(nèi)銅環(huán)內(nèi)表面及外銅環(huán)外表面,也即兩個密封面,被滲漏高壓液體沖出較深的痕跡,而與之接觸的高壓腔內(nèi)表面及柱塞外表面則無沖痕。從此現(xiàn)象判斷,等靜壓機運行正常時,密封環(huán)表面完好,導(dǎo)液管幾乎不滲液。隨著運行時間的延長,密封環(huán)表面逐步被磨損,工作液體在被壓進主缸的同時也通過密封面的滲漏出來,由于工作壓力高達200 MPa,滲漏沖擊磨損相當(dāng)可觀,必然會在密封環(huán)表面形成沖痕;當(dāng)沖痕較細小時,工作液泄漏量小,大部分可以被壓入主缸,只是增壓較慢、保壓困難;當(dāng)沖痕較粗深時,低壓階段工作液泄漏尚不明顯,高壓階段時進入高壓腔的工作液大部分從沖痕泄漏,造成設(shè)備運行到一定的壓力時,無法進一步升高壓力,更無法達到設(shè)定成型所需的壓力。

根據(jù)上述故障現(xiàn)象分析,密封環(huán)的質(zhì)量是一個關(guān)鍵因素。幾乎每一次等靜壓設(shè)備被迫停機檢修,均是密封環(huán)失效,密封環(huán)一套共有6組,每組有內(nèi)、外2個密封環(huán),全部更換后故障即可排除。6組密封環(huán)逐級減壓,共同協(xié)作完成密封功能,其中任何一組失效將引發(fā)連鎖反應(yīng),很快使整個密封失效。密封環(huán)必須從等靜壓設(shè)備生產(chǎn)廠家采購,每年僅更換密封環(huán)就得花費數(shù)萬元,加之耽誤生產(chǎn)間接損失,成本驚人。此現(xiàn)象造成設(shè)備運轉(zhuǎn)率低,設(shè)備運行成本高居不下,嚴(yán)重制約著批量化鉬制品生產(chǎn)的正常進行。而廠家由于技術(shù)保密對密封環(huán)的尺寸公差,材質(zhì)等均不提供。所以如何改造密封環(huán)、提高密封環(huán)的密封性能,延長密封環(huán)的使用壽命,就顯得尤為重要。

2 改進方案設(shè)計

2.1 密封環(huán)材質(zhì)的特點及要求

圖1 增壓器、密封銅環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖1是增壓器、密封環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖,在增壓器的高壓腔主要存在2個密封面,即外密封環(huán)外表面與高壓腔內(nèi)壁的密封面及內(nèi)密封環(huán)內(nèi)表面與柱塞外表面的密封面。每套密封環(huán)的外環(huán)之間在靠缸內(nèi)壁接觸面上形成一個動態(tài)的密封槽;同樣每套密封環(huán)的內(nèi)環(huán)之間靠柱塞接觸面也形成一個動態(tài)的密封槽,起降低泄漏油壓及潤滑接觸面的作用。密封環(huán)的形狀使得壓力越高,外密封環(huán)在內(nèi)密封環(huán)的擠壓下發(fā)生形變,使外壁更加貼緊缸體內(nèi)壁,同樣內(nèi)密封環(huán)在外密封環(huán)的擠壓下發(fā)生形變使內(nèi)壁更加貼緊柱塞外表面,這使得密封環(huán)在2個接觸面都起到很好的密封作用。同時密封環(huán)還需具有依靠形變自動補償磨損的功能。

從以上功能分析,要求密封環(huán)要具有的特點是: (1)塑性好、彈性優(yōu)越、耐磨、耐腐蝕。壓力增大時可發(fā)生形變,能很好地密封泄漏液,當(dāng)壓力減小時,密封環(huán)可恢復(fù)原樣。由于密封圈用于液壓設(shè)備中,在提高使用壽命的情況下,不能出現(xiàn)金屬顆粒及磨屑;(2)材質(zhì)較軟。在長時間的使用后,密封環(huán)的材質(zhì)比其他配合部件的材質(zhì)都軟,泄漏時密封環(huán)先損壞形成泄漏點,從而保護了其他成本高的部件;(3)導(dǎo)熱性能好。當(dāng)工作液在高壓及摩擦力的作用下產(chǎn)生高溫,溫度能迅速傳到整個密封環(huán),形成整體膨脹,這時密封環(huán)的厚度增加,其他尺寸不變;當(dāng)溫度下降時,密封環(huán)厚度變薄,其他尺寸不變。所以,此密封環(huán)具有自動消除溫度變化所帶來的影響。

參考其他高壓密封設(shè)備所選用的密封環(huán)材質(zhì),結(jié)合上述特點分析,首選銅基材料作為等靜壓密封環(huán)材料。

2.2 密封環(huán)與接觸面的公差配合

經(jīng)過反復(fù)測量從廠家購買的銅環(huán)尺寸及增壓器高壓腔內(nèi)徑、柱塞直徑尺寸,判斷2組公差配合(內(nèi)環(huán)與柱塞面、外環(huán)與缸內(nèi)壁)均為間隙配合,外銅環(huán)與缸內(nèi)壁面的間隙為0.06～0.12 mm,內(nèi)銅環(huán)與柱塞面的間隙配合為0.03～0.06 mm,而增壓器泄漏點大部分在外銅環(huán)和缸內(nèi)壁之間的靜密封接觸面上,這說明間隙越大越易泄漏。隨著設(shè)備運行時間的積累,柱塞變細,而密封銅環(huán)尺寸公差不變,這使得間隙更大,密封效果更差。

在密封系統(tǒng)中,外密封環(huán)外表面與高壓腔內(nèi)壁的密封面為靜密封,一般采用過渡配合,內(nèi)密封環(huán)內(nèi)表面與柱塞外表面的密封面為動配合,一般采用間隙配合。所以要取得更好的密封效果,必須改變原有的密封公差配合。

2.3 密封方式的改進

增壓器密封環(huán)由6組密封環(huán)共同協(xié)作完成密封功能,每組密封環(huán)的作用并非完全相同,通過采用不同材質(zhì)的的密封圈,對增壓器的密封面進行組合密封,以達到更佳的密封效果。

綜合以上分析,為減少冷等靜壓機增壓器的故障率及維修成本,提高密封環(huán)的密封性能,延長密封環(huán)的使用壽命,應(yīng)從密封環(huán)材質(zhì)、密封環(huán)與接觸面的公差配合優(yōu)化及密封方式等幾個方面共同考慮。

3 實踐過程及效果

3.1 密封環(huán)材質(zhì)的選擇

根據(jù)2.1分析密封環(huán)材質(zhì)為銅基材料,同時還須有良好的機械性能及加工性能,經(jīng)過查閱資料,選定了以下3種材質(zhì)進行實踐(見表1)。

表1 合金銅材料力學(xué)性能

將以上3種不同材料按照設(shè)備制造廠方購買的密封環(huán)的尺寸,各加工一套密封環(huán),分別裝配到增壓器中進行試驗運行,試驗結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得出,由于密封環(huán)材質(zhì)的抗拉強度、延伸率及硬度的不同,使用壽命也有差別。錫青銅環(huán)可使用1.8個月,鋁青銅可使用3.1個月,鈹青銅可使用4.8個月。其中鈹青銅使用壽命最長,但鈹青銅由于太硬,不但很難調(diào)試,而且工作液在高壓下泄露,對價值較高的高壓腔造成損傷,因此不能選鈹青銅;錫青銅由于硬度小,延伸率高,所以很好調(diào)試,但使用壽命最短,因此也不宜選用;鋁青銅材質(zhì)參數(shù)居中,調(diào)試性能和使用壽命都較好,最重要的是如果工作液高壓下有泄漏,鋁青銅會先失效,從而保護高壓腔內(nèi)壁不會損傷。

根據(jù)以上分析及實踐效果檢驗,確定密封環(huán)材質(zhì)為鋁青銅。

圖2 不同材質(zhì)密封環(huán)的運行壽命(月)

3.2 密封銅環(huán)與密封面配合方式的優(yōu)化

根據(jù)2.2分析,對密封銅環(huán)與密封面配合方式進行了優(yōu)化。

3.2.1 外密封銅環(huán)公差配合的優(yōu)化

根據(jù)靜密封的特點,將外密封銅環(huán)與高壓腔內(nèi)徑的配合由間隙配合改為過渡配合;具體做法如下,首先測量出高壓腔不同部位的內(nèi)徑尺寸,并根據(jù)該尺寸按過渡配合原則計算出外密封銅環(huán)尺寸公差,然后進行加工,由于是過渡配合,所以安裝外密封銅環(huán)時,不像原來那樣很輕松地放進高壓缸中,而是要用質(zhì)地更軟的紫銅棒墊著,輕輕地將外銅環(huán)一個一個敲進高壓缸中,實現(xiàn)靜密封面的緊配合。

3.2.2 外密封銅環(huán)公差配合的優(yōu)化

根據(jù)動密封的特點,必須將內(nèi)密封環(huán)內(nèi)表面與柱塞外表面的間隙做到最小的配合,那樣既能保證柱塞在內(nèi)密封銅環(huán)中作往復(fù)運動,又能達到良好的密封效果。具體做法:測量出處柱塞直徑幾個部位的實際尺寸,先按過盈配合給出內(nèi)密封銅環(huán)的加工尺寸,然后做一根直徑與柱塞相同,錐度為0.2 mm/m的鑄鐵模棒,將加工的內(nèi)密封銅環(huán)套到模棒上進行研磨,將過盈配合變?yōu)樽钚〉拈g隙配合。然后在調(diào)試過程中,用調(diào)節(jié)螺母壓緊密封環(huán)以消除銅環(huán)加工時的形變。使之達到更好的密封效果。

通過公差配合的優(yōu)化,一套密封銅環(huán)的使用壽命提高60%,維修成本降低50%。同時從廠家購買一套高壓腔作為備用,這樣可以時刻保證一套密封銅環(huán)處于配用狀態(tài),維修時只需更換高壓腔即可,維修一次時間由原來的4～6 d縮短到8 h。

3.3 密封方式復(fù)合化

聚四氟乙烯由于具有極低的摩擦系數(shù)和自潤滑性,耐油耐腐蝕密封性能好等特點,在很多壓力不是很高的液壓設(shè)備中廣泛使用。通過對增壓器故障點的解檢發(fā)現(xiàn),增壓器的高壓工作液主要由前面幾組鋁青銅密封環(huán)來密封,而后2、3組鋁青銅密封環(huán)對工作液的低壓滲漏所起的作用不大。因為如果有滲漏存在,工作液就會在密封接觸面間流動,易造成前幾道承受高壓密封銅環(huán)形成泄漏槽而損壞。如果開始就消除低壓滲漏,杜絕高壓工作液在密封接觸面間流動,其鋁青銅環(huán)的使用時間可能會延長。本著這個想法,在安裝銅密封環(huán)時將最后3套銅環(huán)中的2套換為聚四氟密封環(huán),形成復(fù)合密封來消除工作液的低壓滲漏。

經(jīng)過改進后,試用取得了很好的效果。最長的一套密封環(huán)使用了15個月,最短的也使用了9個月。使用壽命提高了3倍以上。

4 結(jié) 論

(1)將密封環(huán)材質(zhì)選為鋁青銅,不僅延長密封環(huán)的使用壽命,還使增壓器較好調(diào)試。

(2)將外密封銅環(huán)與高壓腔密封面的配合方式改為過渡配合;通過研磨使內(nèi)密封銅環(huán)與柱塞密封面的配合間隙越小,密封效果越好;密封銅環(huán)的使用壽命提高了60%,通過研究自行測量加工密封銅環(huán)節(jié)約維修成本50%。

(3)采用復(fù)合密封方式消除工作液的低壓滲漏,使密封環(huán)的使用壽命提高了3倍。

以上改進方法,已經(jīng)應(yīng)用于實際的生產(chǎn)運行中,平均每組密封環(huán)使用壽命為12個月,比以前提高了300%,維修時間從4～6 d縮短到8 h。通過積極地探索實踐,不但打破了設(shè)備制造廠家的技術(shù)壟斷、降低了設(shè)備維修成本、有效保證了冷等靜壓機的正常運轉(zhuǎn),而且提高了生產(chǎn)效率。

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ANALYSIS AND IM PROVEM ENT OF ISOSTATIC COOL PRESSING BOOSTER FAULT

BA IQiu-ping,Hui Jun-sheng,Wang Gang
(MetalBranch,JinduichengMolybdenum Co.,Ltd.,Xi’an 710077,Shaanxi,China)

According to the structure and working principle of isostatic cool pressing booster and seal rings,the causes of frequent isostatic cool pressing booster failure were analyzed carefully.The improvement program was designed from the key points such as seal ringmaterial,tolerances with precision and sealing,so better parameters were obtained through comparative experiments.The improvementprogram notonly greatly increases the service life of parts,extendesmaintenance cycle of isostatic cool pressingmachine,improves equipment operation rate,but also breaks the technology blockade to the key partsof booster,terminatesoutsourcing of key components and decreasesmaintenance costs.

isostatic cool pressing;booster;seal ring;aluminum-bronze;service life

TH137.8+3

A

1006-2602(2010)04-0047-04

2010-04-24

白秋平(1976-),男,機械工程師。