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液壓系統(tǒng)密封及管接頭油口選擇的設(shè)計(jì)研究
摘要：
在工程機(jī)械主機(jī)液壓系統(tǒng)中, 液壓管接頭及連接油口的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的密封可靠性, 尤其是整個(gè)主機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要, 如設(shè)計(jì)選用不當(dāng), 會(huì)造成管路泄漏以及污染環(huán)境。基于管接頭的選擇主要是根據(jù)主機(jī)油口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求, 從液壓密封裝置的要求、密封件的主要基礎(chǔ)材料、常用液壓系統(tǒng)油口的類(lèi)型、管接頭及油口端選擇進(jìn)行了系統(tǒng)闡述, 并總結(jié)出了液壓系統(tǒng)中不同形式油口的密封結(jié)構(gòu)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(tǒng)正常工作的最基本也是最重要的裝置, 主要用來(lái)防止液體或氣體的泄漏。良好的密封是液壓系統(tǒng)能夠傳遞動(dòng)力、正常工作的保證。如果密封不好, 將會(huì)造成系統(tǒng)和元件的泄漏加大, 使系統(tǒng)壓力和容積效率降低, 造成能量的損失, 嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的油液外泄污染環(huán)境, 因此正確地設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的連接管接頭及油口的密封形式非常重要。
1 液壓系統(tǒng)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(bǔ)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(dòng)地提高密封程度;
(2) 具有良好的穩(wěn)定性, 即油液浸泡對(duì)其形狀尺寸的變化影響要小, 溫度對(duì)其彈性和硬度的變化影響也要小;
(3) 摩擦力小, 運(yùn)動(dòng)靈活, 工作壽命長(zhǎng);
(4) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 制造、使用、維修簡(jiǎn)便。
2 密封件主要基礎(chǔ)材料
常用的液壓系統(tǒng)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(qiáng)度, 摩擦系數(shù)較大。適用范圍:液壓油、脂肪油、碳?xì)浠衔餄?rùn)滑油、動(dòng)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(qiáng)度, 摩擦系數(shù)較大。適用范圍:油料、臭氧、惡劣天氣、液壓流體、化學(xué)溶劑、不易燃的油料和化學(xué)產(chǎn)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(lèi)型
在工程機(jī)械主機(jī)產(chǎn)品的液壓系統(tǒng)中常見(jiàn)的與管接頭相配合的油口有以下幾種類(lèi)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(nèi)倒角油口結(jié)構(gòu)
15°內(nèi)倒角油口類(lèi)型在液壓管路中的泵 (執(zhí)行元件) 、馬達(dá) (動(dòng)力裝置) 的進(jìn)出油口的設(shè)計(jì)方案中比較常用如圖1所示, 其螺紋形式由泵、馬達(dá)的生產(chǎn)廠商根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn), 公制螺紋(ISO 6149-1標(biāo)準(zhǔn))、美制統(tǒng)一螺紋 (ISO 11926-1標(biāo)準(zhǔn)) 、英制管螺紋 (JIS B2351標(biāo)準(zhǔn)) 連接, 密封形式是采用O形圈密封。
圖1 15°內(nèi)倒角油口
3.2 公制、英制螺紋柱端彈性密封圈或金屬對(duì)金屬密封的平油口結(jié)構(gòu)
這種油口在液壓管路中的閥、合流塊、泵等靜密封的進(jìn)出油口的設(shè)計(jì)方案中常用, 如圖2所示。其加工過(guò)程相對(duì)15°內(nèi)倒角油口比較簡(jiǎn)便, 只是加工完內(nèi)螺紋后, 再對(duì)油口锪平一個(gè)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(chǎn)廠商根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn), 有公制螺紋 (GB/T 19674.1標(biāo)準(zhǔn)) 、英制管螺紋 (ISO1179-1標(biāo)準(zhǔn))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(jié)構(gòu)
(1) 英制55°牙型角錐管螺紋密封油口結(jié)構(gòu):也稱(chēng)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(guī)定, 與管接頭連接時(shí)不需加填料或使用密封介質(zhì)就能防止?jié)B漏, 其中圓錐內(nèi)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(jié)構(gòu):如圖3所示, 極限尺寸及公差符合GB/T 12716規(guī)定, 其主要用于燃油和潤(rùn)滑油管路接頭的油口, 同時(shí)也適于高溫、高壓系統(tǒng)。
圖3 管螺紋油口
4 液壓系統(tǒng)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(guò)裝配旋入油口15°內(nèi)倒角受到壓縮后變形, 適用選擇的油口如圖1所示, 在設(shè)計(jì)此O形圈密封的接頭與油口時(shí), 表面锪平沉孔、內(nèi)倒角尺寸及螺紋深度的連接配合至關(guān)重要。
1) 油口平面沉孔及15°內(nèi)倒角配合要點(diǎn)(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(nèi)倒角尺寸及配合要點(diǎn)
圖4 外螺紋配合O形圈密封
2) 15°內(nèi)倒角與接頭配合要點(diǎn)
15°內(nèi)倒角的直徑一般小于管接頭圓臺(tái)直徑, 深度一般與螺距有關(guān), 見(jiàn)表1。
3) 螺紋深度配合要點(diǎn)
(1) 油口內(nèi)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(guī)格
d2———油口锪平沉孔直徑
d5———油口15°內(nèi)倒角的直徑
d6———與油口配合的管接頭圓臺(tái)直徑
L2———油口螺紋孔鉆深
L3———油口锪平沉孔深度
L4———油口內(nèi)螺紋攻深
L5———與油口配合的管接頭六方下端面至圓臺(tái)端面長(zhǎng)度
L6———與油口配合的管接頭圓臺(tái)下端面至外螺紋端面長(zhǎng)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(yīng)用于液壓系統(tǒng)的油口密封形式, 簡(jiǎn)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(huì)在溝槽中扭曲變形。適用油口如圖2所示:在設(shè)計(jì)此ED密封的過(guò)渡接頭與油口密封時(shí), 表面锪平沉孔及螺紋深度的連接配合尺寸至關(guān)重要。
圖5 外螺紋配合ED密封
1) 油口平面沉孔配合要點(diǎn)
(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(diǎn)
(1) 油口內(nèi)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(tái)直徑
L1———油口锪平沉孔深度
L2———油口內(nèi)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(wú)壓力時(shí), 靠O形圈的彈性對(duì)接觸面產(chǎn)生預(yù)接觸壓力, 實(shí)現(xiàn)初始密封, 當(dāng)密封腔充入有壓工作介質(zhì)后;在壓力的作用下, O形圈被擠向溝槽的一側(cè), 密封面上的接觸壓力上升, 提高了密封效果。在動(dòng)密封中, 當(dāng)壓力大于10 MPa時(shí), O形圈就會(huì)被擠入間隙中而損壞, 為此有時(shí)需要在O形圈低壓測(cè)設(shè)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(shí), 兩側(cè)都要加擋圈, 且一般在活塞靜密封中運(yùn)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(shè)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(jìn)行壓緊實(shí)現(xiàn)軸向密封, 其密封件O形圈是受介質(zhì)壓力后, 實(shí)現(xiàn)徑向變形, 如圖8所示。在實(shí)現(xiàn)密封時(shí), 根據(jù)系統(tǒng)介質(zhì)所產(chǎn)生壓力方向的不同, 有受軸向內(nèi)部和外部壓力之分, 此類(lèi)密封在工程機(jī)械中大多數(shù)是在液壓系統(tǒng)中的液壓泵、馬達(dá)的進(jìn)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(shè)計(jì)
法蘭面密封形式中O形圈在安裝時(shí), 必須保證適當(dāng)?shù)念A(yù)壓縮量, 過(guò)小不能密封, 過(guò)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(shè)計(jì)和表面精度需按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)給出的數(shù)據(jù)嚴(yán)格保證。
(1) 軸向密封 (受內(nèi)部壓力) , 壓力從內(nèi)測(cè):O形圈外徑壓縮, 如圖9的設(shè)計(jì)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(guī)定:
式中, d9———軸向密封的溝槽外徑 (受內(nèi)部壓力)
d10———O形圈內(nèi)徑
d11———O形圈截面直徑
d9值一般根據(jù)O形圈截面尺寸的不同其相對(duì)于所選O形圈外徑的壓縮過(guò)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(cè):O形圈內(nèi)徑壓縮, 見(jiàn)圖10的設(shè)計(jì)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(guī)定:
式中, d12———軸向密封的溝槽內(nèi)徑 (受外部壓力)
d12值一般根據(jù)O形圈截面尺寸的不同, 其相對(duì)于所選O形圈內(nèi)徑的拉伸過(guò)盈量為0.2~1 mm。
(3) 軸向密溝槽寬度b應(yīng)當(dāng)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(lái)計(jì)算, 深度h一般以O(shè)形圈截面壓縮率數(shù)值來(lái)確定, 其極限值及對(duì)應(yīng)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(jì)算
軸向密溝槽寬度h一般根據(jù)O形圈受擠壓后的最大和最小壓縮率圖11來(lái)計(jì)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(duì)應(yīng)的O形圈壓縮率
5 結(jié)論
液壓管接頭的密封及油口的設(shè)計(jì)對(duì)整機(jī)的液壓系統(tǒng)至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)過(guò)程中, 首先要了解不同主機(jī)產(chǎn)品在工作時(shí)的作業(yè)工況, 其次根據(jù)系統(tǒng)所要求的密封狀態(tài)來(lái)確定管接頭與油口連接處是動(dòng)密封還是靜密封, 且要充分考慮密封裝置的要求, 根據(jù)油液介質(zhì)性質(zhì)和工作溫度選擇符合條件的密封件, 以及選擇、設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)主要關(guān)鍵點(diǎn)。
