大流量插装阀密封性能分析

大流量插装阀密封性能分析

本研究中的通径dg160dg200大型插装阀主要用于快速训练和其他快速工作系统的执行机构。工作频率为80.90次/分。插装阀必须具有快速关闭功能、频繁更换功能、高速运动和重量损失的能力，并承受重大压力的影响。在工作环境为-20-80和运动速度达到标准s的条件下，没有卡阻运动灵活的改向器，具有运动灵活性、快速变换能力和可靠性。这就对插装阀的关键零件阀芯阀套的密封有个更高的要求。要确保元件在高速运行下密封效果好，压力保持平稳。密封设计是液压系统和液压元件设计的关键部分。内泄露，会引起液压系统容积效率的急剧下降，达不到所需的工作压力，使机械设备无法正常运作。外泄露，会造成工作介质浪费和污染环境，甚至引发机械操作失灵和人身事故。因此，正常设计和使用密封件是保证液压设备正常运转的重要保证。大流量插装阀主要有三种密封，分别是O型圈密封、阀芯阀套之间的金属圆柱密封、阀芯头部锥面紧贴在阀座上的线密封。本文主要分析阀芯阀套之间的金属圆柱密封。1阀芯阀套间隙参数的优化插装阀阀芯和阀套之间具有一定的配合间隙，配合间隙内的流场特性直接影响阀的性能。阀芯阀套之间配合间隙的大小随着阀套的长度大小、直径大小、间隙大小，阀芯上是否有均压槽，阀芯阀套中心线是否有偏心距等的不同而不同，对阀芯阀套之间间隙特性的研究，以及结构参数的优化，是液压技术中的重要研究方向。随着阀芯阀套之间间隙参数的不同，间隙之间的流体流动的一些现象也会改变，但总是以流体在间隙之间流动的运动学和动力学为基础的，所以应当把研究阀芯阀套之间缝隙内流体的流动状况以及流体与阀芯阀套的固体部件之间的动力学相联系。液压元件出现卡紧时，会对液压系统以及阀的工作性能产生很大影响，轻者会使阀芯运动时的摩擦力增加，造成动作迟缓。重者会使液压元件内的相对移动完全卡住，不能运动，造成不能动作的现象，甚至还会危及设备甚至人身安全。过大的泄漏量不但能造成能量损失，同时影响执行机构的正常工作和运动速度。本文深入分析插装阀工作机理，采用现代微摩擦学和液压往复密封理论，分析主阀内阀芯、阀套间滑动密封时的穿漏、渗漏状况，优化了各部分的配合公差和结构参数。1.1插装阀芯与阀套配合间隙控制阀芯与阀套之间的配合间隙直接关系到阀的动作可靠性和泄漏量的大小。如果间隙过小，则阀芯动作不够灵活，温度升高后甚至使阀芯卡死；若果间隙太大，则泄漏量加大，造成功率损失，甚至引起元件误动作。配合间隙的正确选取，并不是易事。它直接牵连到阀芯直径、油液粘度、零件材料、加工工艺水平等多种因素，通常需要试验来进行确定。设计中，参考Chaimowitsch给出的阀芯直径与配合间隙的关系曲线图，如图1所示。图1中，实线表示没有密封装置的情况，最大间隙曲线表示受泄漏量限制所给出的间隙最大值，最小间隙曲线表示保证阀芯动作可靠性所给出的间隙最小值。点画线则表示阀芯、阀套间有密封装置的情况，其是在实线的基础上相应放大并作分段处理而得到的。在确定阀芯与阀套之间的配合间隙时，设计中常选定间隙下限为上限的50%～70%。采用泄漏量公式进行初算，按最大偏心环形缝隙流动情况处理，有如下公式：式中：Q———阀芯与阀套之间的半径间隙；L通过对插装阀多年的生产和使用经验，通径DG160～DG200阀芯阀套圆柱面配合间隙控制在0.04～0.08mm较为合理，既能达到精度要求又能保证加工的经济性。代入文本所设计的大流量阀中，计算得出以下泄漏量值，如表1所示。如图2所示为DG200插件的阀芯阀套圆柱密封实物图。1.2液压卡紧力的影响及最小均压槽的确定如果阀芯与阀套都是完全精确的圆柱形，而且径向间隙中不存在任何杂质、径向间隙处处相等，就不会存在因泄露而产生的径向不平衡力。但事实上，阀芯和阀套的几何形状及相对位置均有误差，使液体在流过阀芯与阀套间隙时产生了径向不平衡力，称之为侧向力。由于这个侧向力的存在，从而引起阀芯移动时的轴向摩擦力，称之为卡紧力。如果阀芯的驱动力不足以克服这个阻力，就会发生所谓的卡紧现象。阀芯上的侧向力如图3所示，图3中P根据流体力学对偏心渐扩环形间隙流动的分析，可计算出侧向力的大小。当阀芯完全偏向一边时，阀芯出现卡紧现象，此时的侧向力最大。最大液压侧向力值为：则移动阀芯需要克服的液压卡紧力为：式中：f———摩擦系数，介质为液压油时，取f=0.04～0.08。为了减小液压卡紧力，可采取以下措施：(1）在倒锥时，尽可能地减小，即严格控制阀芯或阀套的锥度，但这将给加工带来困难。(2）在阀芯上开均压槽。均压槽可使同一圆周上各处的压力油互相沟通，并使阀芯在中心定位。开了均压槽后，引入液压卡紧力修正系数为K，可将式（3）修正为：开一条均压槽时，K=0.4；开三条均压槽时，K=0.063；开七条均压槽时，K=0.027。槽的深度和宽度至少为间隙（阀芯与阀套的间隙）的10倍，通常取宽度为0.3～0.5mm，深度为0.8～1mm。槽的边缘应与孔垂直，并呈锐缘，以防脏物挤入间隙。槽的位置尽可能靠近高压腔；如果没有明显的高压腔，则可均匀地开在阀芯表面上。开均压槽虽会减小油封长度，但因减小了偏心环形缝隙的泄漏，所以开均压槽反而使泄漏量减少。综上所述，所以开均压槽是减小液压卡紧力最简便最有效的方法。图4为本文大流量插装阀阀芯上均压槽的示意图，根据多年积累的经验以及多次的试验结果，DG160～DG200插件上均压槽个数均取7个，槽宽5mm，槽深1mm。如图5、图6所示，其余阀芯的均压槽不一一列举。图7为实物图。2高压高速运转密封试验密封设计是液压系统和液压元件设计的关键部分，本文深入分析了大流量插装阀（通