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摘要：液压系统中，机构的往复运动控制方式是非常多样的，液压油缸驱动是最为常见的一种。其密封机制是我们需要重点考虑的内容之一。本文在分析液压系统往复运动控制方式的基础上，研究了液压系统往复运动的密封件，并重点研究了影响往复运动密封性的因素。
关键词：液压系统；往复运动；控制方式；密封
1.多机构往复运动传统控制方式
1.1 传统控制方式简述
本文以后装压缩式垃圾车装载机构自动往复运动为例来进行分析。
后装压缩式垃圾车其装载机构包含刮板机构和滑板机构，分别由两组油缸（刮板油缸、滑板油缸）驱动，其工作模式如下：
装载机构在压缩垃圾过程中遵循以下顺序动作进行工作：刮板机构张开、滑板机构下行、刮板机构刮合、滑板机构上行四个动作，这四个动作自动连续做往复运动，压缩垃圾车装载机构液压控制原理如图1所示，电磁铁通电动作顺序表如图2所示，其自动连续往复运动控制流程图如图3所示。
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从图1液压控制原理图可以看出，油箱a中液压油经过油泵b后形成高压油，再经过c电磁溢流阀的稳压、限压后，通过c及d三位四同电磁换向阀的通断电顺序，从而实现装载机构的往复运动，其每个动作终端的换向信号由接近开关S1、S2、S3、S4发出。
从图3控制流程图可以看出，启动连续循环按钮，控制刮板机构张开电磁铁DT1通电，此时液压系统卸荷阀DT0处于卸荷状态,0.1S后液压系统卸荷阀DT0通电，此过程中DT1持续通电，从而避免了控制刮板电磁铁带压换向，此时，刮板机构保持张开动作，直至碰到接近开关S2，提前触发信号，此时刮板油缸并未到行程终端，DT0先断电，液压系统卸荷，0.1S后，DT1、DT3同时通电，又0.1S后，DT0通电，此过程DT1、DT3一直持续通电，保持DT0、DT1、DT3同时通电1S中，此时刮板机构刮合的同时滑板机构下行，其他动作依此类推，均在启动的瞬间避免带压换向，以及液压油缸即将到达行程终点时，通过控制液压系统流量分流，在不影响实际工作工况的情况下使机构动作短时间动作重合，降低了液压油缸的运行速度，起到了有效的缓冲效果，达到了降低液压冲击及噪音的目的。转载机构一个完整的往复运动有四个过程：刮板张开、滑板下行、刮板刮合、滑板上行。
3.3实施效果
1.2存在的技术短板分析和给予实施方案及达到的效果
结合图1、图2、图3控制方式分析，在每一个过程结束终端，电磁溢流阀c与三位四通电磁阀d、e通、断电均为同时，管路中流动的液压油由于三位四通换向阀关闭而突然停止运动。由于液流和运动元件的惯性，在系统内会产生很大的瞬时压力峰值，这种现象叫做液压冲击。液压冲击会引起振动和噪声。其压力峰值可超过工作压的几倍，有时使某些液压元件，且动作瞬间由高速运动到静止，产生的加速度相当大。换向阀换向有一个响应时间，并且每一个相同类型阀其换向响应时间也会存在个体差异，如图4。换向时间指从电磁铁通电到阀芯换向终止的时间:复位时间指从电磁铁断电到阀芯回复到初始位置的时间。减小换向和复位时间可提高机构的工作效率，但会引起液压冲击。交流电磁阀的换向时间一般约为0.03～0.05s，换向冲击较大；而直流电磁阀的换向时间约为0.1～0.3s，换向冲击较小。通常复位时间比换向时间稍长
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2、往复运动密封件
2.1密封分类与使用
根据两相邻表面间有无相对运动可将密封分为静密封和动密封。常见的静密封使用处有：螺栓或铆钉的下部密封、管接头连接处、盖板下部以及结合端面处。往复运动密封主要用于液压缸、气缸中缸筒与活塞之间、活塞杆及缸盖处以及滑阀的阀芯与阀体之间。例如在工程机械中。装载机、挖掘机、拖泵、叉车等都是通过液压缸中活塞与活塞杆的往复直线运动产生所需要的动作：密封在工业装配和航空液压装配中更是起着重要作用，比如使用在航天器起落架上的线性执行机构。影响动密封的因素有挤出、表面粗糙度和材料硬度等。
2.2普通液压缸密封示意图
由图5可见,活塞杆l和活塞11通过螺栓固联。液压缸中通入液压油后可产生左右往复直线动作。防尘圈2与外层空气侧连通，起到防止外界灰尘进入缸体和刮油的双重作用，刮油效果较好时，伸出的活塞杆是十分光亮的，肉眼看不出有油污的痕迹：唇形轴封3防止缸内液体产生外泄漏:4、6为活塞上的密封件，防止内泄漏，保证压力传动效率和容积效率：O形圈10用做静密封防止内泄漏:导向耐磨元件5起到导向和抛光缸筒内壁的作用,也可起到类似滑动轴承的作用，支撑侧向载荷。维持液压密封同心。
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图5油缸结构示意图（1.活塞杆 2.防尘圈 3.杆密封 4.活塞密封 5.导向件 6.活塞封 7.后端盏 8.螺母 9.防松螺母 10.O形圈 11.活塞 12.前端盏 13.密封特例分析）
工程机械、工业控制中常用的密封设计为各种弹性材料制作的接触式密封，将其安装在密封沟槽中预先产生一定的初始变形，利用弹性体本身的弹性补偿性能。使密封件可以始终压紧在密封面上。
2.2.1 O形圈密封
可以说，O形圈是自发展以来最佳的静密封。之所以这样认为，主要是由于O形圈是“傻瓜式密封”，只要存在初始压力，就能实现无泄漏密封。而且O形圈不需要大的负载力即可实现零泄漏密封。
O形圈用作静密封时的压缩率在15％-25％，选取用作往复运动密封时压缩率为10％～20％，而回转运动时选取压缩率为7％-10％。O形圈也可用于动密封，尤其适用于短行程、小直径的缸中。因此O形圈被业内人士称为“万能密封”。
2.2.2唇形密封
唇形密封(见图6(a))是赋能型密封，流体压力自动加载到密封件唇口上，所以被密封的流体压力增加时，也能保证密封效果。而在与杆的接触处。密封件的动态唇边应该有类似于A、B角度的2个楔形倒角(见图6(b)所示，可用模具精密注塑成型或车削加工)，以减小接触区宽度,从而减少摩擦磨损。同时有利于流体润滑膜的形成。
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当背靠背串联安装2个唇形密封件组成双向密封时，往复运动过程中活塞杆拉出的微油膜会在两密封件之间封闭区汇集形成油环.从而形成背压区，使得密封件的密封唇有被挤人密封间隙的趋势，一定条件下将导致密封唇的挤出破坏，随即就会有泄漏的产生。另外根据有限元分析结果，两密封唇交汇处应力集中，相对单薄的密封唇口一侧受到摩擦界面的摩擦力，当摩擦力过大时会造成动唇边向运动反方向翻转，此种危害较大。因此使用过程中必须注意避免。
2.2.3矩形截面密封
矩形密封既可以做静密封也可以做动密封，在一定条件下与O形圈具有互换性，而且比O形圈更加稳定、可靠。做静密封使用时。矩形密封不易发生扭曲变形，对挤出间隙有更好的抗挤出性能，密封性也更加突出。而作为动密封使用时，常使用在高压往复系统中和极端温度下。
根据经验，一般工业用液压缸的使用压力都低于50 MPa。此压力远远低于齿轮的齿面、滚动轴承的滚动体和滚道的接触压力。但由于密封件在几十兆压力下已经足够产生较大弹性变形，对其润滑性能也有显著影响，因此可以归入广义弹流润滑之列。为此可将精加工的活塞杆与密封件接触润滑状态分为3种：
(1)薄膜润滑状态(已有微泄漏存在，膜厚10-100 nm，润滑膜形成方式与流体动力润滑相同)；
(2)边界润滑状态(膜厚5～20 nm)；
(3)干摩擦状态。
综合考虑动态边直径、密封的材料以及断面的厚度、系统压力、温度来设计合理的间隙，可以避免干摩擦，使密封件处于薄膜润滑和边界润滑之间的状态，实现密封件的接近零磨损和液体的接近零泄漏，这是一种理想状态。也是密封件高端产品的发展目标和发展趋势。
3、影响密封效果的因素
3.1接触压力与相对滑动速度的影响
在同一接触压力686N、无油润滑状态下，转速越大。摩擦界面的温升越快。摩擦系数越大；而当从145r/min稳定运转状态逐渐调高转速时，随着界面温度的直线上升。摩擦力也迅速增加，几分钟内可造成机器过载，自动停机。
在液压缸的设计阶段，应考虑pv值的影响，并改善润滑条件，比如在润滑油或脂中加入油性和极压添加剂，可以大幅度提高许用pv值。另外应根据液压缸的公称压力，选取不同的速比值以满足优化需要。
3.2表面粗糙度的影响
缸体及活塞杆表面粗糙度过高或过低都会引起密封件磨损的加剧。加工表面不能过于光滑。否则密封件不能磨合。在表面粗糙度(即Ra或Rtm)、斜度△Q、偏斜度Rsk或峰态Rku或承载面积tp，或峰谷深度参数Rpm。这些参数中，一般Ra是最主要的，但这需要同时确定粗糙度的最低高度和最高高度。Ra0.1-0.25μm，其他参数就不重要了。出了这个范围，则需要考虑其他参数的影响。
4、结语
普通液压缸中的密封组合通常由防尘圈、活塞杆密封和活塞密封等动密封和端面部位的静密封组成。动密封的密封效果与密封材料、接触压力、界面的相对滑动速度、表面粗糙度、润滑状况、介质、温度等因素相关。通过调整密封唇口的结构可以影响密封件的接触宽度和密封接触压力的分布梯度，从而影响泄漏与密封件寿命。
参考文献
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