高壓微型插裝式液壓電磁閥密封結(jié)構(gòu)設(shè)計概述

馬建強 于延賓 洪洋

摘 要 密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計是微型液壓電磁閥的設(shè)計的難點，通過液壓電磁閥常用密封結(jié)構(gòu)分析，設(shè)計了一種錐套型密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可使位于同個徑向平面的不同孔口同時實現(xiàn)徑向密封和軸向密封，采用該結(jié)構(gòu)可使兩位三通閥的零件數(shù)減少55%，主要零件徑向尺寸減少37.5%，軸向尺寸減少40%。結(jié)合工作環(huán)境對錐套型密封結(jié)構(gòu)提出了材料性能要求、表面質(zhì)量要求和試驗要求，對液壓電磁閥的高壓化、微型化設(shè)計提供了重要參考。

關(guān)鍵詞 液壓電磁閥;微型;密封;試驗

引言

高壓微型插裝式液壓電磁閥集高壓化、微型化、插裝化于一體，可以獨立作為小型液壓系統(tǒng)的控制元件應(yīng)用，也可以作為先導(dǎo)式電磁閥的先導(dǎo)級控制元件，用于控制下一級放大機構(gòu)的動作，實現(xiàn)小通徑、小流量控制大通徑、大流量，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、核工業(yè)、智能裝備等領(lǐng)域。國外Moog、馬夸特、Marotta等公司對微型電磁閥的研發(fā)工作開展較早，相繼推出了一系列小型化部件， Lee、穆格、伊頓、派克等歐美企業(yè)的微小型液壓電磁閥處于國際壟斷地位，我國相關(guān)研究起步較晚，基本以從歐美進口為主，在航空航天、石油裝備等領(lǐng)域隨時面臨禁運風(fēng)險，亟須自主研制保障我國經(jīng)濟和國防安全[1-2]。本文將從密封結(jié)構(gòu)的小型化進行設(shè)計分析，結(jié)合工作環(huán)境對材料、表面質(zhì)量和驗證試驗方面提出要求。

1液壓電磁閥密常用密封結(jié)構(gòu)分析

液壓電磁閥高壓化、微型化面臨的核心問題是電磁鐵和密封結(jié)構(gòu)小型化。液壓電磁閥密封結(jié)構(gòu)可采用“Ο”形密封圈、雙層組合密封圈、PTFE包覆“Ο”形圈等形式，結(jié)構(gòu)特點分析如下。但無論采用何種結(jié)構(gòu)形式的密封槽、密封圈都直接影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸、可靠性和耐久性。

1.1 “Ο”形密封圈

“Ο”形橡膠密封圈是截面形狀為圓形的環(huán)形橡膠密封件，其尺寸及材料性能符合GB/T 3452.1-2005《液壓、氣動用“Ο”形橡膠密封圈尺寸及公差》的要求，它是一種應(yīng)用最廣泛的靜密封、往復(fù)運動及旋轉(zhuǎn)運動密封件，并具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、密封性能好、應(yīng)用范圍廣、安裝溝槽易于設(shè)計制造等優(yōu)點 [3]。但“Ο”形密封圈也存在使用壽命短、高溫高壓密封性能差、最小尺寸受限等缺點。

1.2 雙層組合密封圈

雙層組合密封圈由內(nèi)、外兩層組成，外層一般用PTFE或PTFE填充材料擋圈，內(nèi)圈為“Ο”形密封圈。該密封圈為接觸面密封式，利用變形產(chǎn)生的反作用力提供密封所需接觸壓力，即溝槽設(shè)計使密封圈具有一定的過盈量，密封圈壓縮變形后產(chǎn)生回彈力，并傳遞到密封接觸面，形成預(yù)接觸應(yīng)力，使密封圈壓緊缸筒內(nèi)壁，實現(xiàn)密封[4]。該密封圈可用于軸類零件的動靜密封，具有耐磨、穩(wěn)定、可靠、雙向承壓的優(yōu)點。但也存在摩擦力大、低溫密封不良、安裝不便、尺寸受限等缺點，尤其是徑向尺寸的限制，使得小尺寸密封結(jié)構(gòu)無法應(yīng)用。

1.3 PTFE包覆“Ο”形密封圈

氟塑料包覆“Ο”形圈可用于替代傳統(tǒng)“Ο”形密封圈，適用于工作環(huán)境和要求更為苛刻的密封環(huán)境，它是在“Ο”形密封圈的表面噴涂、浸漬PTFE（聚四氟乙烯）薄膜而成，具有性能好、效率高、耐磨損、壽命長的特點[5]。氟塑料包覆“Ο”形圈利用聚四氟乙烯低摩擦系數(shù)和磨損系數(shù)，減少了密封件的磨損，提高了密封可靠性和使用壽命，多用于動密封，由于徑向、軸向尺寸限制，小型化應(yīng)用受限。

2錐套型密封結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

用“Ο”形密封圈實現(xiàn)閥口間軸向密封，必須在零件的外徑或內(nèi)徑上加工溝槽，以固定密封件，溝槽的尺寸取決于密封件;且如果壓力超過10MPa時，還要使用一至兩個擋圈來確保密封圈不會被擠出，這就進一步增加了溝槽尺寸。錐套型密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外部為圓柱形面，內(nèi)部為錐形孔，徑向開有貫穿通孔，完成裝配后，可使同個軸向平面的不同孔口同時實現(xiàn)徑向密封和軸向密封。錐套型密封件擠壓嵌入后，接觸密封部位既有一定的強度、剛度，又有一定的擠壓變形，同時起到承壓和密封作用，有效減小了閥套尺寸，閥口布局更靈活。

如圖2、圖3為兩位三通閥錐套型密封結(jié)構(gòu)與“Ο”形圈密封結(jié)構(gòu)尺寸對比，其中進油P口通徑為Ф1，負(fù)載A口通徑為Ф1.2，回油R口通徑為Ф1.5。滿足相同流量、壓力要求時，采用錐套型密封結(jié)構(gòu)的兩位三通閥，零件數(shù)減少55%，徑向尺寸由Ф12減少至Ф15.5，減少37.5%;軸向尺寸由20減少至11.8，減少40%。

3錐套型密封結(jié)構(gòu)材料性能要求

高壓微型插裝式液壓電磁閥的工作環(huán)境為額定壓力35MPa、溫度-55℃～150℃，錐套型密封結(jié)構(gòu)材料應(yīng)滿足以下要求：

（1）具有良好的機械系性能，安裝時能密封且不會產(chǎn)生永久變形;

（2）應(yīng)能承受耐壓壓力和爆破壓力;

（3）拉伸強度、壓縮強度應(yīng)不低于115MPa;

（4）伸長率不大于7%;

（5）穩(wěn)定使用的溫度范圍至少滿足-55℃～170℃;

（6）與工作液壓油介質(zhì)具有良好的適應(yīng)性，不應(yīng)發(fā)生互溶、變質(zhì)、變性、老化等。

4錐套型密封結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量要求

密封結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量直接影響密封性，其外表面、內(nèi)表面的表面質(zhì)量應(yīng)達到以下要求：

（1）錐套型密封結(jié)構(gòu)外部圓柱形面與高壓微型插裝式液壓電磁閥插裝孔配合，實現(xiàn)軸向和徑向密封，其表面粗糙應(yīng)優(yōu)于0.8um;

（2）錐套型密封結(jié)構(gòu)內(nèi)部錐形孔與高壓微型插裝式液壓電磁閥的閥體配合，實現(xiàn)軸向和徑向密封，其表面粗糙應(yīng)優(yōu)于0.8um。

5錐套型密封結(jié)構(gòu)試驗要求

根據(jù)高壓微型插裝式液壓電磁閥的工作環(huán)境，錐套型密封結(jié)構(gòu)試驗應(yīng)至少基于以下三方面考慮。第一，錐套型密封結(jié)構(gòu)的內(nèi)部泄漏是否達到設(shè)計要求;第二，錐套型密封結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生損傷或?qū)е庐a(chǎn)品其他零件永久變形;第三，錐套型密封結(jié)構(gòu)在高壓下是否有足夠的耐久性。因此，錐套型密封結(jié)構(gòu)試驗至少包括以下試驗項目：

（1）常溫性能試驗：通過測試其內(nèi)部泄漏量、開關(guān)動作響應(yīng)時間等，驗證密封結(jié)構(gòu)在安裝和膨脹時的變形量是否滿足使用要求;

（2）耐壓試驗：主要驗證其承受1.5倍額定工作壓力的密封性能;

（3）低溫試驗：主要驗證其在低溫-55℃的密封性能;

（4）高溫試驗：主要驗證其在高溫150℃的密封性能;

（5）溫度沖擊試驗：主要驗證其在高溫150℃和低溫-55℃反復(fù)沖擊下的密封性能;

（6） 壓力脈沖實驗：主要驗證其在高低壓循環(huán)交替變換時的耐壓性、密封性和耐久性。

（7）爆破試驗：主要驗證其在承受3倍額定壓力下，結(jié)構(gòu)是否發(fā)生裂紋、斷裂、塑性擠壓變形或尺寸變化等;

（8）浸漬試驗：主要驗證其材料與工作介質(zhì)的相容性。

6結(jié)束語

（1）采用錐套型密封結(jié)構(gòu)的兩位三通閥，零件數(shù)減少55%，徑向尺寸減少37.5%，軸向尺寸減少40%;

（2）根據(jù)高壓微型插裝式電磁閥的工作環(huán)境，對錐套型密封結(jié)構(gòu)材料提出了性能要求和表面質(zhì)量要求;

（3）為確保錐套型密封結(jié)構(gòu)的密封性、尺寸穩(wěn)定性和耐久性，提出了錐套型密封結(jié)構(gòu)試驗要求。

該密封結(jié)構(gòu)設(shè)計對實現(xiàn)高壓插裝式液壓電磁閥結(jié)構(gòu)的微型化意義重大，下階段還需要對錐套型密封結(jié)構(gòu)做詳細(xì)設(shè)計和仿真分析，開展試驗驗證，并持續(xù)迭代優(yōu)化，最終達到尺寸小、重量輕、可靠性高的目標(biāo)。

參考文獻

[1] 張珂，葉飛，王程勇，等.微型電磁閥設(shè)計[J].液壓氣動與密封，2019 （9）：81-82.

[2] 林濤，武蔥蘢，孫守黑.微型高壓電磁閥的設(shè)計及應(yīng)用[J].航天控制，2004（10）：93-96.

[3] 蔡祖光.“Ο”形橡膠密封圈及其應(yīng)用[J].磚瓦世界，2019（11）：39-49.

[4] 嚴(yán)桃平，趙迎生，包海濤.新型組合密封圈的密封機理及其應(yīng)用[J].機床與液壓，2003（1）：2.

[5] 黃國冠.氟塑料包覆硅橡膠“O”形密封圈的性能表征及應(yīng)用研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2017.

作者簡介

馬建強（1981-），男，山東青州人;學(xué)歷：碩士，職稱：高級工程師，現(xiàn)就職單位：臺州科技職業(yè)學(xué)院，研究方向：航空液壓系統(tǒng)及部件研究與教學(xué)。