千吨棒料剪断机压紧压头系统密封改造探究

李长连

(中车大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116000)

1 生产现状

Q42-1000 型千吨棒料剪断机是我公司锻件下料生产的关键设备，该设备下压紧压头主要由油缸和活塞组成。工作中，由高压风驱动的油液通过油缸作用在活塞上，由运动凸轮凸型的自动控制来实现棒料剪断过程中的压料运作。由于该系统工作环境恶劣，油缸和活塞配合面磨损严重，工作中油液沿着配合面缝隙上下泄漏，重则呈线性外漏，造成油缸内压力降低，直接影响活塞压头的压料力不足，设备不能正常工作。为了不影响生产，操作人员经常一天要注油2 次。一年消耗的油量达3t 以上，合人民币13000 余元，不但造成了很大的浪费，而且设备时常处于停产状态。

2 工作原理

Q42-1000 型棒料剪断机下压系统工作原理，如图1 所示。

图1 Q42-1000 型棒料剪断机工作原理

Q42-1000 型棒料剪断机工作时，储油罐中的油在压缩空气的作用下注入单向阀1。单向阀1 的开关由剪断机主轴上的外凸轮2 控制。当剪断机处于上料定位状态时，主轴上的外凸轮凸型处在最高位置，单向阀1 处于开启状态，油液由单向阀1 注入油缸，此时缸内油压和储油罐油压及风压平衡，通常为5kg/cm2。活塞压头在主轴端部固定的内凸轮凸形3 的作用下向上抬起。当设备处于剪切状态时，主轴外凸轮凸形处于最低位置，压下单向阀控制滚轮4，单向阀处于关闭状态，则油缸内形成充满油液的封闭油腔。当设备滑块带动剪牙在偏心主轴惯性的作用下剪切料坯时，压头承受剪切反力形成瞬间高压保证切断料坯，完成整个棒料的上料定位及剪切动作。

3 故障分析

3.1 压头油缸压力分析

设备在剪切瞬间，活塞压头要有足够的压力压紧料坯，承受剪切力的反作用力，即可克服棒料因剪切而产生的力矩M压=P压*L（P 为剪切力，L 为下剪牙刃端与活塞压头中心的水平距离），如图2。

图2 活塞压头工作示意图

根据密封容器油液的不可压缩性，缸内油压的高低是随着剪切力的增大而增大的。缸内油压的数值可按图2压头受力分析公称剪切力计算。如图2所示，剪断机在剪切瞬间也产生一个以剪刃点a为支撑点的力矩。

P剪为公称剪切力，P剪=1000×103kg；

δ 为剪刃厚度，δ=40mm。

若使剪断机在工作中能正常剪断坯料，所形成的力矩M剪就要与活塞压头压料力P压所形成的力矩M压处于平衡。

即M剪=M压

设剪断机剪切瞬间压料缸内油压为F， 则：P剪×δ/2=F×A×L

剪断机下压紧压头中心点与剪刃剪切面的距离L 为260mm。活塞轴向受油压面积为A。

显然，活塞压头产生的压料力的大小主要取决于油缸油液的压力，以此来保证设备的正常工作。

3.2 油缸漏油原因分析

油缸漏油有两方面原因。一是选用单道Y型密封圈达不到密封的目的。对于按HG4-335-66 标准制造的Y型密封圈，通常直径在200 ～300 mm之间。安装后内外径压缩率在2.2%～1.76%时，适用压力为200kg/cm2。可见，当设备剪切瞬间缸内油压达471kg/cm2时，必然压坏密封圈而漏油。二是剪断机在剪切过程中，活塞压头所承受的压料反力不仅有轴向力，还存在着径向力。由于油缸与活塞的运动配合面磨损严重，形成的间隙量较大，油缸内径不能形成导柱作用来抵抗径向力，所以产生的径向力首先作用在密封圈上。通过观察，新配置的密封圈工作不到一周时间就会被破坏而失去密封作用。这是导致油缸漏油的主要原因。

4 改进措施

4.1 改进密封结构

根据上述分析，提高油缸和活塞压头的密封性能是保证剪断机剪切瞬间压力的途径之一。具体办法是，增大油缸和活塞密封环面积，使之保持工作时的瞬间高压。将原来的单个Y 型密封圈改为现在的按HG4-337-66 标准生产的5 个B 型V 形夹织物橡胶密封圈叠加使用，使油缸和活塞的密封面积增大了5 倍。上密封采用4 个B 型V 形夹织物密封圈叠加使用。

4.2 改变油缸和活塞直径尺寸

除上述改进密封结构外，还对油缸和活塞压头的结构尺寸进行改进。图3 为改进前的油缸和活塞尺寸，图4 为改进后的油缸和活塞尺寸。

图3 改进前的油缸和活塞尺寸

图4 改进后的油缸和活塞尺寸

活塞轴颈改进：采用堆焊补肉的方法增大原来活塞轴颈尺寸，然后用车床加工至φ250mm 和φ290mm（原活塞轴颈为φ240mm 和φ280mm）。油缸上密封段活塞轴颈从φ110mm 加工至φ105mm。

油缸改进：对于直径φ280mm 的油缸内工作面，由于年久失修，表面磨损严重，已不能使用。上镗床修正φ280mm内孔至φ320mm，油缸上部φ110mm 孔修正到φ130mm，并保证油缸上下孔φ130mm 和φ320mm 的不同轴度在500mm 长度的范围内误差不超过0.02mm。

考虑到V 型密封圈不能承受径向力的特点，再加工一个内径为mm、外径为mm、长度为100mm 的锡青铜套以过盈配合安装在油缸下部的φ320mm 孔处，加工一个内径为mm、外径为mm、长度为31mm的锡青铜套以过盈配合安装在油缸上部的φ130mm 孔处，用以保证油缸内工作面的表面粗糙度。这种改进方式一方面改善了油缸和活塞运动配合面的工作精度，另一方面也减轻了二者之间的滑动磨损。工作中，和床体固定的油缸对运动的活塞压头起导向作用，使活塞压头所承受的径向反力直接作用在油缸上，改善了密封圈的工作条件。改进后的剪断机下压紧压头系统如图5 所示。

图5 改进后的下压系统

经上述改进后，提高了剪断机的密封性能。现场运用表明，在缸内瞬间油压高达471kg/cm2的情况下没有发生漏油现象。

5 使用效果

改进后的Q42-1000型千吨棒料剪断机下压紧压头系统，经过1年半的运行，没有发生油缸泄漏现象。特别是活塞与油缸的运动配合面采用钢与铜套的滑动接触后，磨损现象明显减轻，即使是缸内铜套年久磨损，只要更换铜套即可，其维修之简便，是原设备结构无法达到的。