液壓系統密封及管接頭油口選擇的設計研究
摘要：
在工程機械主機液壓系統中, 液壓管接頭及連接油口的設計對整個液壓系統的密封可靠性, 尤其是整個主機的正常運轉至關重要, 如設計選用不當, 會造成管路泄漏以及污染環境。基于管接頭的選擇主要是根據主機油口結構的設計要求, 從液壓密封裝置的要求、密封件的主要基礎材料、常用液壓系統油口的類型、管接頭及油口端選擇進行了系統闡述, 并總結出了液壓系統中不同形式油口的密封結構以及連接管接頭的選擇原理。
引言
密封裝置是保證液壓與氣壓系統正常工作的最基本也是最重要的裝置, 主要用來防止液體或氣體的泄漏。良好的密封是液壓系統能夠傳遞動力、正常工作的保證。如果密封不好, 將會造成系統和元件的泄漏加大, 使系統壓力和容積效率降低, 造成能量的損失, 嚴重時會導致液壓系統的油液外泄污染環境, 因此正確地設計液壓系統的連接管接頭及油口的密封形式非常重要。
1 液壓系統密封裝置的要求
(1) 具有良好的密封性, 即有適宜的彈性, 能補償所密封表面在制造上的誤差與工作中的磨損, 并隨著壓力的增大自動地提高密封程度;
(2) 具有良好的穩定性, 即油液浸泡對其形狀尺寸的變化影響要小, 溫度對其彈性和硬度的變化影響也要小;
(3) 摩擦力小, 運動靈活, 工作壽命長;
(4) 結構簡單, 制造、使用、維修簡便。
2 密封件主要基礎材料
常用的液壓系統密封材料有以下幾種
(1) 丁腈橡膠NBR耐油橡膠, 具有良好的彈性與耐磨性, 工作溫度一般為-20~100℃, 有一定的強度, 摩擦系數較大。適用范圍:液壓油、脂肪油、碳氫化合物潤滑油、動植油、水、丁烷、壓縮氣體等;
(2) 氟橡膠FKM耐高溫, 耐油橡膠, 工作溫度一般為-15~240℃, 有一定的強度, 摩擦系數較大。適用范圍:油料、臭氧、惡劣天氣、液壓流體、化學溶劑、不易燃的油料和化學產品等;
(3) 硅橡膠VMQ耐高、低溫且抗酸和弱堿腐蝕, 絕緣性能良好的橡膠, 工作溫度一般為-60~250℃。適用范圍:低溫或高溫、惰性氣體、酸和弱堿、臭氧。
3 常用液壓管接頭密封油口的類型
在工程機械主機產品的液壓系統中常見的與管接頭相配合的油口有以下幾種類型:
3.1 公制、美制及英制螺紋柱端帶锪孔溝槽的O形圈密封15°內倒角油口結構
15°內倒角油口類型在液壓管路中的泵 (執行元件) 、馬達 (動力裝置) 的進出油口的設計方案中比較常用如圖1所示, 其螺紋形式由泵、馬達的生產廠商根據不同標準, 公制螺紋(ISO 6149-1標準)、美制統一螺紋 (ISO 11926-1標準) 、英制管螺紋 (JIS B2351標準) 連接, 密封形式是采用O形圈密封。
圖1 15°內倒角油口
3.2 公制、英制螺紋柱端彈性密封圈或金屬對金屬密封的平油口結構
這種油口在液壓管路中的閥、合流塊、泵等靜密封的進出油口的設計方案中常用, 如圖2所示。其加工過程相對15°內倒角油口比較簡便, 只是加工完內螺紋后, 再對油口锪平一個淺沉確保管接頭與油口密封面之間的垂直度要求, 使管接頭和ED墊圈與油口的锪平面完全貼合, 形成密封, 減少連接面的滲漏。
平油口的螺紋形式生產廠商根據不同標準, 有公制螺紋 (GB/T 19674.1標準) 、英制管螺紋 (ISO1179-1標準)連接, 密封形式是采用ED彈性密封圈密封, 或用管接頭與油口之間的尖角密封。
圖2 平油口
3.3 英制錐管螺紋密封、美制NPT錐管螺紋油口結構
(1) 英制55°牙型角錐管螺紋密封油口結構:也稱用螺紋密封的油口, 如圖3所示。這種螺紋極限尺寸及公差符合GB/T 7306規定, 與管接頭連接時不需加填料或使用密封介質就能防止滲漏, 其中圓錐內螺紋油和圓錐外螺紋接頭連接可在高溫及高壓下采用;
(2) 美制60°牙型角錐管螺紋NPT密封油口結構:如圖3所示, 極限尺寸及公差符合GB/T 12716規定, 其主要用于燃油和潤滑油管路接頭的油口, 同時也適于高溫、高壓系統。
圖3 管螺紋油口
4 液壓系統密封的管接頭及油口端選擇
4.1 外螺紋接頭配合O形圈密封
外螺紋接頭配合O形圈密封形式, 如圖4所示。O形圈裝入液壓管接頭體后, 通過裝配旋入油口15°內倒角受到壓縮后變形, 適用選擇的油口如圖1所示, 在設計此O形圈密封的接頭與油口時, 表面锪平沉孔、內倒角尺寸及螺紋深度的連接配合至關重要。
1) 油口平面沉孔及15°內倒角配合要點(1) 油口沉孔直徑:d2≥d7+2.2, 且d7>d5
(2) 油口沉孔深度:L3≤L5-0.5
表1 15°內倒角尺寸及配合要點
圖4 外螺紋配合O形圈密封
2) 15°內倒角與接頭配合要點
15°內倒角的直徑一般小于管接頭圓臺直徑, 深度一般與螺距有關, 見表1。
3) 螺紋深度配合要點
(1) 油口內螺紋攻深:L4≥L6+0.5
(2) 油口加工孔鉆深:L2≥L4min+ (1.5~2) P
P———螺距
d1———螺紋直徑規格
d2———油口锪平沉孔直徑
d5———油口15°內倒角的直徑
d6———與油口配合的管接頭圓臺直徑
L2———油口螺紋孔鉆深
L3———油口锪平沉孔深度
L4———油口內螺紋攻深
L5———與油口配合的管接頭六方下端面至圓臺端面長度
L6———與油口配合的管接頭圓臺下端面至外螺紋端面長度
4.2 外螺紋配合ED密封
外螺紋配合ED密封形式如圖5所示, ED彈性密封圈是被廣泛應用于液壓系統的油口密封形式, 簡易的外形使其得以快速方便地安裝, 與O形圈不同的是ED彈性密封圈不會在溝槽中扭曲變形。適用油口如圖2所示:在設計此ED密封的過渡接頭與油口密封時, 表面锪平沉孔及螺紋深度的連接配合尺寸至關重要。
圖5 外螺紋配合ED密封
1) 油口平面沉孔配合要點
(1) 油口沉孔直徑:d4≥d7+1.1
(2) 油口沉孔深度:L1L5 min-0.5
2) 螺紋深度配合要點
(1) 油口內螺紋攻深:L2≥L6
(2) 油口加工孔鉆深:L13≥L2 min+2P
d4———油口锪平沉孔直徑
d7———與油口配合的管接頭圓臺直徑
L1———油口锪平沉孔深度
L2———油口內螺紋攻深
L13———油口螺紋孔鉆深
4.3 法蘭面帶O形圈溝槽的密封
一般O形密封原理如圖6所示, O形圈裝入密封槽后, 其截面受到壓縮后變形。在無壓力時, 靠O形圈的彈性對接觸面產生預接觸壓力, 實現初始密封, 當密封腔充入有壓工作介質后;在壓力的作用下, O形圈被擠向溝槽的一側, 密封面上的接觸壓力上升, 提高了密封效果。在動密封中, 當壓力大于10 MPa時, O形圈就會被擠入間隙中而損壞, 為此有時需要在O形圈低壓測設置四氟乙烯或尼龍制成的擋圈, 如圖7所示, 其厚度為1.25~2.5 mm。雙向受高壓時, 兩側都要加擋圈, 且一般在活塞靜密封中運用較多, 而法蘭是端面密封, 不需加擋圈。
圖7 O形圈密封擋圈設置
1) 法蘭面配合O形圈密封原理
這種密封是用分離式法蘭片和螺栓進行壓緊實現軸向密封, 其密封件O形圈是受介質壓力后, 實現徑向變形, 如圖8所示。在實現密封時, 根據系統介質所產生壓力方向的不同, 有受軸向內部和外部壓力之分, 此類密封在工程機械中大多數是在液壓系統中的液壓泵、馬達的進回油口的軸向密封形式中采用。
圖8 法蘭面帶O形圈溝槽的密封
2) 法蘭面O形圈溝槽的設計
法蘭面密封形式中O形圈在安裝時, 必須保證適當的預壓縮量, 過小不能密封, 過大則摩擦力增大, 且易于損壞。因此, 安裝O形圈的溝槽的尺寸設計和表面精度需按相關標準和手冊給出的數據嚴格保證。
(1) 軸向密封 (受內部壓力) , 壓力從內測:O形圈外徑壓縮, 如圖9的設計一般是以d9尺寸為作為選配O形圈的定位尺寸, 其法蘭溝槽外徑d9基本尺寸可按下式規定:
式中, d9———軸向密封的溝槽外徑 (受內部壓力)
d10———O形圈內徑
d11———O形圈截面直徑
d9值一般根據O形圈截面尺寸的不同其相對于所選O形圈外徑的壓縮過盈量一般為0.2~1.1 mm。
(2) 軸向密封 (受外部壓力) 壓力從外測:O形圈內徑壓縮, 見圖10的設計一般是以d12尺寸作為選配O形圈的定位尺寸, 其法蘭溝槽外徑d12基本尺寸可按下式規定:
式中, d12———軸向密封的溝槽內徑 (受外部壓力)
d12值一般根據O形圈截面尺寸的不同, 其相對于所選O形圈內徑的拉伸過盈量為0.2~1 mm。
(3) 軸向密溝槽寬度b應當比變形后O形圈截面尺寸要大, 一般以其材料體積溶脹值為15%來計算, 深度h一般以O形圈截面壓縮率數值來確定, 其極限值及對應的壓縮率η變化范圍如表2、圖11所示。
(4) 軸向密溝槽寬度h的計算
軸向密溝槽寬度h一般根據O形圈受擠壓后的最大和最小壓縮率圖11來計算, 具體可按下公式:
表2 軸向密封溝槽寬度、深度的極限值及對應的O形圈壓縮率
5 結論
液壓管接頭的密封及油口的設計對整機的液壓系統至關重要。在設計過程中, 首先要了解不同主機產品在工作時的作業工況, 其次根據系統所要求的密封狀態來確定管接頭與油口連接處是動密封還是靜密封, 且要充分考慮密封裝置的要求, 根據油液介質性質和工作溫度選擇符合條件的密封件, 以及選擇、設計相匹配的油口連接形式, 其中油口與接頭配合面的尺寸是設計主要關鍵點。
