基于超高壓的液壓元件與管路密封方式研究

夏士偉 宋尚杰

（河南熾信防腐保溫工程有限公司，河南 長垣 453400）

0 引言

超高壓是一個(gè)相對(duì)的概念，壓力數(shù)值是隨著時(shí)代的變化而不斷變化的，比如說最早期機(jī)械工業(yè)部將大于35MPa的壓力稱之為超高壓，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，我們的液壓密封技術(shù)也獲得了較快的進(jìn)步，有些知名學(xué)者將超高壓定義為大于80MPa的壓力系統(tǒng)，然而現(xiàn)代社會(huì)中許多機(jī)械設(shè)備的工作壓力達(dá)到了100MPa，部分設(shè)備的壓力超過了400MPa，比如說液壓成型機(jī)、高速?zèng)_擊設(shè)備等。一般情況下超高壓系統(tǒng)下出現(xiàn)泄漏主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：在通徑相同的情況下，超高壓會(huì)出現(xiàn)較大的泄漏量；超高壓流量一般為1L/min，較小的泄漏量也會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響[1]。所以，這就對(duì)超高壓系統(tǒng)的密封件提出了較高的要求，從根本上解決液壓系統(tǒng)泄漏的問題。此外，超高壓系統(tǒng)的安全性要格外注意，防止泄漏的液壓油像箭一樣射出傷人。

1 超高壓系統(tǒng)密封原理

超高壓系統(tǒng)的密封原理和一般壓力系統(tǒng)的密封方式大體相同，均是通過液壓密封件對(duì)液壓管路中的端口進(jìn)行堵塞，讓液壓油在規(guī)定的路線中流動(dòng)。對(duì)于非接觸的間隙密封，會(huì)在液壓端口處設(shè)置比較長的間隙通道，液壓油在流經(jīng)這些通道時(shí)會(huì)逐步的損失壓力，在到達(dá)出口前壓力降為零，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓油的密封[2]。和普通的壓力系統(tǒng)密封方式相比較，超高壓采用接觸式密封件進(jìn)行密封時(shí)，所需求的密封件要能夠在反復(fù)的高壓沖擊下而不受損壞；在選用接觸式密封方式時(shí)，所設(shè)置的間隙大小也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常的系統(tǒng)壓力值[3]。

2 液壓元件超高壓密封

從密封部位兩個(gè)部件的相對(duì)關(guān)系來看，可以將超高壓密封劃分為靜密封與動(dòng)密封；從液壓系統(tǒng)的構(gòu)成成分來看可以劃分為管路密封以及液壓元件密封。通常情況下液壓元件包含有液壓油缸、液壓泵、旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、減速機(jī)等，本文以液壓泵與液壓油缸為例探討了液壓元件的超高壓密封方式。

2.1 液壓泵

文章中選取的液壓泵為往復(fù)式密封，這種密封結(jié)構(gòu)結(jié)合了間隙密封與填充式密封兩種形式。在間隙密封件的選取上，更多的是使用彈性圓筒剛背結(jié)構(gòu)，結(jié)合液壓油流動(dòng)過程中粘黏性較強(qiáng)，能夠造成非常大的壓力損失，從而起到液壓油密封的效果，一般情況下這種密封方式能夠承受住700MPa以下的超高壓[4]。

超高壓液壓泵密封中柱塞泵和分流閥之間的密封是比較棘手的地方，問題點(diǎn)主要集中在無法精確的計(jì)算出柱塞泵與分流閥之間的間隙值。如果將間隙設(shè)計(jì)的較小，則會(huì)出現(xiàn)柱塞和分流閥之間運(yùn)動(dòng)不暢，甚至卡死不動(dòng)，如若將兩者之間的間隙預(yù)留較大，在壓力作用下極易出現(xiàn)液壓油泄漏[5]。

在對(duì)一些外徑尺寸超過8mm的柱塞，在與增加活塞進(jìn)行配合時(shí)通常選用組合式密封方式，該結(jié)構(gòu)的主要組成部分有O型圈、擋圈、黃銅圈以及鎖緊螺母等，在裝配階段保證黃銅圈和柱塞孔之間的縫隙大小為0.031～0.067mm。在進(jìn)入到工作階段時(shí)，液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的超高壓會(huì)作用在柱塞端，柱塞端的壓力會(huì)傳導(dǎo)到O型圈上，造成O型圈受壓變形，從而實(shí)現(xiàn)密封的效果。當(dāng)系統(tǒng)壓力值繼續(xù)升高時(shí)，會(huì)將黃銅圈擠向軸端錐形臺(tái)階，與此同時(shí)來自錐形臺(tái)階的反徑向力會(huì)使黃銅圈產(chǎn)生形變，使得黃銅圈與柱塞桿之間的間隙減小，從而實(shí)現(xiàn)密封效果，采用這種密封方式可以保證在120MPa壓力下不產(chǎn)生油液泄漏，如圖1為液壓泵自緊式密封方式示意圖。

圖1 液壓泵自緊式密封方式示意圖

2.2 液壓油缸

如圖1所示為液壓油缸活塞與缸蓋的超高壓密封方式示意圖，該液壓油缸的工作壓力為75MPa，在缸蓋部位以及活塞部位采用了兩種高壓密封方式，油缸的額定運(yùn)行速度為30mm/s，額定工作溫度介于-30～130℃之間，工作環(huán)境為普通的生產(chǎn)車間。在車式密封方式研發(fā)成功之前，我國國產(chǎn)的密封件最大密封壓力只能承受住65MPa，當(dāng)需要設(shè)計(jì)超過65MPa的工作壓力時(shí)，必須要選擇外國的進(jìn)口密封件，這樣才能滿足更高密封壓力要求[6]。由于本文中液壓油缸的工作壓力達(dá)到了75MPa，因此油缸內(nèi)部密封件選用日本的NOK廠家，如圖2所示，件1、件2分別為O型圈和擋圈，件3為活塞環(huán)，件4、件5以及件9為支撐環(huán)，件6為Gs圈組件，件7為防塵圈，件8為Go型圈，件10為Ko圈。

圖2 液壓油缸活塞與缸蓋的超高壓密封方式示意圖

3 液壓管路超高壓密封

液壓管路分別由鋼管或者軟管、接頭以及連接管三個(gè)部分組成，本文研究的超高壓密封方式主要針對(duì)接頭部位的密封。

3.1 墊片孔口形式密封接頭

該種密封方式的鋼管通常選擇材質(zhì)為15#的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，壁厚根據(jù)壓力的增加而提升。管子端面通過專用的機(jī)械設(shè)備經(jīng)加熱處理后打磨平整，當(dāng)平整度仍然達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)，需要采用數(shù)控車床進(jìn)行精加工，加工完成后在鋼管端面與接頭孔之間添加銅墊圈，并用螺母并緊，這種密封方式可以承受100MPa以下的工作壓力[7]，如圖3所示為墊片孔口形式密封接頭示意圖。

圖3 墊片孔口形式密封接頭示意圖

3.2 O型圈形式密封接頭

在采用O型圈進(jìn)行密封時(shí)，必須要和擋圈共同使用才能起到密封的效果，如圖4所示為O型圈形式密封接頭示意圖，其中件1為接頭部件，件2為O型圈，件3為擋圈，件4為鋼管，在接頭部件上加工密封件安裝溝槽，鋼管的端部要和接頭部件保持較好的垂直度，且與O型圈接觸部分達(dá)到較好的粗糙度。這種密封方式最高可以達(dá)到100MPa的超高壓密封，少數(shù)可以實(shí)現(xiàn)100MPa以上的密封。

圖4 O型圈形式密封接頭示意圖

4 結(jié)語

加強(qiáng)超高壓系統(tǒng)的密封性能有助于我國機(jī)械行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，現(xiàn)階段我國的密封技術(shù)與國外發(fā)達(dá)國家相比還有較大的差距，必須要積極的學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)知識(shí)和方法，不斷的提高自身的液壓密封水平，為實(shí)現(xiàn)超高壓技術(shù)的不斷創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。