靜液壓壓路機橋干式駐車制動器密封故障的原因分析及其優化措施研究＊

孫威，張寒羽，鐘家怡，梁興華，陳素姣

（柳工柳州傳動件有限公司，廣西柳州 545007）

0 引言

壓路機是一種路面機械，廣泛應用于路基建設、平整地面、壓實路基等作業，作業時車速緩慢，一般為4 km/h。根據實際需要，一部分壓路機已經通過輸入動力反拖代替行車制動，但保留了駐車制動系統。隨著靜液壓壓路機橋的推廣及應用，在驅動橋上配置駐車制動器已經成為施工現場標配。制動器作為關鍵的功能性結構，其發生故障會影響整機的使用，其失效模式多以制動器漏油、制動力不足為主。國內制造行業的專家與學者們對密封圈進行了大量研究，其中劉文華等［1］通過對進口設備故障進行分析，確認了造成星形圈翻滾的原因是密封圈與桿壁摩擦力大；陳慶等［2］通過科學計算、理論分析，對影響密封圈的泄漏量的介質壓力、往復運動速度及介質黏度等因素進行分析，認為“O”形橡膠圈不適宜在重負荷工況或潤滑差的情況下使用，因為其易導致密封圈翻滾磨損。趙虹輝［3］通過對派克舊件分析得出造成密封泄漏的原因主要與活塞桿損壞、介質污染、極端工作溫度、化學物質侵蝕、工作壓力過高等相關。以上研究都對密封圈的泄漏原因進行了科學、有效的分析和計算，并給出“O”形密封圈的特點及導致密封失效的主要原因，同時前人的研究對外部環境的影響也進行了分析與總結，但未包含對干式、無油液介質的制動環境進行模擬分析，本文主要研究壓路機橋干式駐車制動密封的選型、計算及試驗方法，以解決制動器漏油問題。

1 某靜液壓壓路機駐車制動器結構及工作原理

干式駐車制動器的密封結構如圖1所示，活塞與缸孔采用密封設計，活塞的大端采用活塞動密封、活塞的小端采用活塞桿動密封。

圖1 干式駐車制動器結構

在停車狀態下，活塞因碟形彈簧壓緊底部摩擦副，摩擦副通過花鍵與動力輸入齒輪花鍵連接，利用摩擦副壓緊，摩擦力使其保持靜止不能轉動，實現停車制動。當液壓油從入口進入，將活塞向上頂起，摩擦副釋放不再受壓，隨之制動停止，整機根據輸入動力啟動行駛作業。對于壓路機，車速較慢、停車制動器的使用不頻繁，整個生命周期（制動次數）有5 000 次左右的制動次數。但是，停車制動器的工作環境處于無油液浸泡的干式環境，與傳統的濕式制動器浸泡在齒輪油中的工作環境相比，停車制動器的工作環境更惡劣，更容易出現故障。

2 失效模式分析與計算

2.1 失效模式

經過對舊件的拆檢分析，反饋時間段多集中在整機工作300 h 以內，工程機械屬于早期的故障反饋。拆檢舊件發現制動器的故障失效模式為“O”形圈扭曲變形（如圖2所示）。

圖2 “O”形圈扭曲變形

2.1.1 “O”形圈扭曲變形

扭曲變形（如圖2所示）會導致“O”形圈材料無法精準填充密封溝槽，不能按照設計計算的壓縮率、填充率實施密封，導致密封處漏油。

2.1.2 “O”形圈嚴重磨損

扭曲變形后“O”形圈嚴重磨損是常見的密封故障反饋形式，因磨損造成材料缺失，使密封圈的壓縮率發生改變，導致密封失效。

2.2 失效原因分析

經過調查確認，制動器在出廠測試時進行了密封性能測試，不存在漏油、制動密封失效的情況，說明“O”形圈的初始壓縮量能夠滿足密封要求。其他制動器相關零件也無異常，活塞密封面粗糙度、殼體密封面粗糙度均滿足制動器的需求。經分析后，總結失效原因如下。

2.2.1 “O”形圈扭曲

造成“O”形圈扭曲的原因是裝配或密封圈使用過程的摩擦力不均勻，包括缸孔及活塞桿的制造間隙不均勻、“O”形圈斷面直徑不均勻、缸孔或活塞桿圓周粗糙度不一致、活塞桿往復過程跳動等。當局部摩擦力大于“O”形圈橡膠抗扭力時就產生翻轉扭曲。

2.2.2 “O”形圈的磨損

硬度不足會導致“O”形圈耐磨性能下降，市場中的整機中，“O”形圈已經工作超過2 000 h，并且當前“O”形圈的硬度已經達到使用要求，因此硬度不足非造成失效的主要原因。此外，橡膠材質、活塞、活塞缸粗糙度等均滿足“O”形圈密封標注的要求，非造成失效的主要原因，但工況灰塵較大，可能需要更好的防塵裝置。

經過對舊件進行分析排查發現，“O”形圈的材質、尺寸、活塞缸，以及活塞桿的粗糙度、尺寸均符合設計要求，所以針對靜液壓壓路機干式駐車制動器密封特點，需要回顧和優化預拉伸率、預壓縮率、壓縮率參數設計。

2.3 活塞密封的預拉伸率y計算

其中：d1為“O”形圈內徑，d3為“O”形圈槽底直徑（活塞），最小預拉伸率等于0。ymax應滿足國標［4］建議的最大預拉伸率（見表1）。

表1 國標建議的活塞密封“O”形圈最大預拉伸率

計算得出，故障“O”形圈的預壓縮率為2.8%～2.92%，符合國標要求。

2.4 活塞桿密封的預壓縮率k的計算

其中：D0為“O”形圈界面直徑，d6為溝槽底徑（制動殼體），最小預壓縮率應等于0，kmax應符合國標建議的最大預壓縮率（見表2）。

表2 國標建議的活塞桿密封“O”形圈最大預壓縮率

計算得出，故障“O”形圈的預壓縮率為2.8%～2.92%，符合國標要求。

2.5 壓縮率的計算

其中：D0為密封“O”形圈截面直徑，mm；D為密封腔體大徑，mm；d為密封腔體小徑。

計算得出，故障“O”形圈的壓縮率為12.6%～18.2%。符合國標的建議值（見表3）。

表3 國標建議的活塞密封、活塞桿密封構造深度的極限值及對應的壓縮率（單位：mm）

一般壓縮率與永久變形存在一定關系（如圖3所示）。

圖3 壓縮率與永久變形關系圖

壓縮率的范圍為9%≤12.6%～18.2%≤19.5%，符合國標要求。

通過以上計算可以得出，當前的“O”形圈符合密封標準要求，但是由于靜液壓壓路機駐車制動器“O”形圈服役環境的特殊性，以及壓路機制動器工作油壓不高，為1～3.5 MPa，因此拉伸率、預壓縮率、壓縮率的參數仍有優化空間。適宜的取值有利于減少摩擦力，尤其是干式無油側的摩擦力（遠大于有油側），還可以消除翻轉扭曲及磨損失效。通過試驗的方法將“O”形圈壓縮率調整到一個合適的值，使“O”形圈不再發生扭曲且磨損量最小，保證密封不漏油。

3 制動密封可靠性試驗

為解決制動器漏油的問題，經計算分析未能確認壓縮率的影響，需要通過可靠性的臺架耐久性試驗進行驗證和確認，通過模擬制動系統活塞運動方式搭建試驗臺，并通過調整“O”形圈的壓縮率，對比在相同試驗條件下試驗結束時“O”形圈壓縮率的變化。

取制動器組件，按圖1 設計裝配完畢，通過設計相同的“O”形圈與不同尺寸的活塞及制動器殼體調整“O”形圈的壓縮率，模擬整機實際解除制動的壓力進行周期性加載，達到目標試驗次數后拆檢確認磨損量，再以不同磨損量進行對比、分析，并且計算壓縮率的變化，取磨損最小且未發生漏油為目標試驗結果。

3.1 試驗裝置

試驗臺搭建包含接油盤、試驗用制動器組件、壓力泵站、壓力表、連接油管，試驗件的擺放必須按照裝置置于整機上的位置進行，否則會影響試驗效果；必須設置接油盤在制動器測試時有油液流出，避免污染環境；試驗裝置應固定，保證試驗的安全性。

3.2 試驗壓力及次數的選擇

由于停車制動器工作頻次低，按照壓路機的使用情況，每天需要使用4次左右。整機行車速度慢，一般臨時停車時，駕駛員不操作制動器，僅在休息時實施停車制動，所以實際所需的試驗時間較短。按8 s一個循環計算，預計2 d可完成一次試驗。

停車制動器與行車制動系相比，停車制動器置于輸入端，一般行車制動器置于終端（輪邊減速器附近），所以停車制動器所需的制動力矩更小，試驗所需要的液壓油壓力更小，一般靜液壓壓路機駐車制動器壓力取值為1～3.5 MPa?？筛鶕嶋H液壓泵站配置及試驗安全性要求，考慮從中選擇合適的試驗壓力開展試驗。本次試驗的停車制動器壓力設置為1.5 MPa。

3.3 試驗周期

其中：T為試驗周期，h。t1為加壓時間，s。t2為保壓時間，s；為保證活塞行程的充分性，t2應大于10 s。t3為泄壓時間，s；根據試驗液壓泵站能力，盡量取小值。n為試驗次數。

3.4 試驗數據分析

試驗采用5 種不同初始壓縮率的“O”形圈配套制動器（如圖4所示），壓縮率大于14%的試驗次數未能達到目標就出現滲漏，甚至在早期出現扭曲變形的情況?？梢?，在干式制動器中，壓縮率過大會造成不符合工況條件。但是，不能為防止扭曲變形而盲目降低壓縮率，從實驗過程中得出，當“O”形圈的壓縮率小于5%后，試驗初期就出現了滲漏現象，制動器失去密封性能。

圖4 5次試驗前后的壓縮率對比

本次試驗在同一時間段完成，試驗環境相同，為避免試驗件拆檢與恢復誤差，均由同一人操作。經試驗結果確認（如圖4所示），當“O”形圈壓縮率控制在6%～13.5%時，可有效防止“O”形圈翻轉扭曲及過度磨損，進而防止壓路機橋制動器發生早期故障；同時，補充計算預拉伸率及預壓縮率均在標準要求范圍內，所以對靜液壓壓路機橋駐車制動器“O”形圈密封的改進是有效的。

3.5 優化方案的延伸

綜合“O”形圈改進的方案，同時驗證了新結構形式的密封圈（“X”形圈、“D”形圈）的壓縮率基本與“O”形圈保持一致（如圖5所示），試驗結果良好。此外，進一步完善防塵方案，確認最終方案（如圖6所示）。

圖5 “X”形圈、“D”形圈示意圖

圖6 制動器改進方案

外部“O”形圈可有效防塵，防止異物進入導致密封圈磨損。支撐導向帶起到支撐作用，保證活塞不偏壓密封圈，而“X”形或“D”形密封圈可有效防止翻滾、扭曲變形。

4 結語

本文針對某款靜液壓壓路機橋停車制動器的早期漏油問題，結合制動器工作特點，對密封結構進行分析和試驗驗證。驗證表明，導致制動器早期漏油的主要原因是“O”形圈的壓縮率選取不當，引起早期的扭曲變形和過度磨損。當壓縮率控制在6%～13.5%時，密封性能具有較高的可靠性，可以滿足整機的使用需求。此外，停車制動密封選擇“O”形圈主要考慮的是“O”形圈模具簡單、標準件多、便于選擇、成本低。其他形式的密封圈也能在解決早期故障漏油問題上發揮重要作用，如“X”形圈、“D”形圈，其不規則形狀可有效防止扭曲變形及翻轉，“X”形圈的密封唇口有兩道，密封效果更好，“D”形圈的密封接觸面積更大，可提升制動器密封的性能。