超高压液压密封方法探讨与应用.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma ti c s S e a l s ／ NO ． 0 9 ． 2 0 1 4 d o i l O ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 8 - 0 8 1 3 。 2 0 1 4 ． 0 9 ． 0 2 1 超高压液压密封方法探讨与应用 乔培平 陕西工业职业技术学院 机械工程系 ， 陕西 咸 阳7 1 2 0 0 0 摘要 密封对超高压液压技术 的可靠性来说起着举 足轻 重的作用 。该 文分 析了超高压密封的原理及特殊性 ． 简介 了超高压密封件 的 材料 及选用原则 ， 重点介绍 了液压泵 、 液 压缸 、 管路系统各种接头 以及 控制阀工艺孑 L 口的几 种典型密封结构 ， 密封件形式 、 材料 以及压 力使用范 围。为超 高压液压设备 密封的设 计以及选用提供依据和参考 。 关键词 超高压密封 ； 密 封结 构 ； 液压泵 ； 液压缸 ； 管接头 中图分类号 T B 4 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 9 0 0 5 5 0 3 Di s c us s e d a nd Ap p l i c a t i o n o f S u p e r Hi g h Pr e s s ur e Hyd r a u l i c S e a l M e t h od Q I A0 P e i - p i n g S h a a n x i I n d u s t r i a l Vo c a t i o n a l a n d T e c h n i c a l C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， X i a n y a n g 7 1 2 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t S e a l f o r t h e r e l i a b i l i t y o f t h e s u p e r h i g h p r e s s u r e h y d r a u l i c t e c h n o l o g y p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e ． T h i s p a p e r a n a l y z e s t h e p r i n c i p l e o f s u p e r h i s h p r e s s u r e s e a l i n g a n d p a r t i c u l a r i t y ， t h e i n t r o d u c t i o n o f t h e s u p e r h i g h p r e s s u r e s e a l ma t e ri a l s e l e c ti o n a n d the p ri n c i p l e o f h y d r a u l i c p u mp ，h y d r a u l i c c y l i n d e r ，p i p e s y s t e m i s m a i n l y i n t r o d u c e d a n d v a r i o u s j o i n t o ri fi c e v a l v e t e c h n o l o g y of s e v e r a l t y p i c a l s e a l i n g s t r u c t u r e ，s e al for m，ma t e rial a n d p r e s s u r e r a n g e ． F o r the s u p e r h i s h p r e s s u r e h y d r a u l i c e q u i p me n t p rov i d e s t h e r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n a n d s e l e c ti o n o f s e a l i n g a n d r e f e ren c e ． Ke y wo r d s s u p e r h i g h p r e s s u r e s e a l i n g ；s e al i n g s t r u c t u r e ；h y d r a u l i c p u m p ；h y d r a u l i c c y l i n d e r ；j o i n t O 引言 谈 到超高压 时 ． 必须与时代联系起来 ． 因为超高压 是 随着 时代不 同而不 同的 原 机械工业 部所颁 布 的 J B 8 2 4 6 6压力分级中规定 当压力 p 3 2 MP a为超高压。 而文献『 1 1 在介绍压力分级 时 ， 把压力 p 4 0 ～ 7 0 MP a为 超高压 ， p 7 0 MP a为超级高压 。而文献[ 2 】 一文 中提到 ， 收 稿 日期 2 0 1 4 0 2 1 7 作者简 介 乔培平 1 9 7 5 一 ， 男 ， 陕西咸 阳人 ， 讲师 ， 本科 ， 主要从事设备 控 制技术 、 设 备管理与维修方面 的教学和研究工作 。 当液压系统或液压机械中的压力超过 8 2 MP a时 ．通常 称为超高压的划分与定义 科学技术 总是随着时代而 进步， 人们亦应随时代的步伐看待技术问题 ， p 8 2 MP a ， 通常称为超高压压力 ， 从 时间上说 ， 可谓当前 的说法 。 目前 。 有些行业如人造金刚石六面顶压机 、 金属挤压设 备、 液压成 型机 、 粉末冶金设备 、 超高压射流切割机 和 耐压试验等方面使用 的压力通常在 1 0 0 MP a左右 ． 有 的 甚 至 在 6 0 0 MP a以上 超高压液压系统压力超高 。 流量小 ． 一般存 在两方 面情况 一方面 因压力超高 ， 故在 间隙相 同的情况下 ， 式蓄能器并配有氮气瓶组 ． 当连铸机事故停 电时 ， 利用 活塞 式蓄 能器 内储存 的压力 油驱 动事故 回转液压 马 达 ， 来实现大包 回转台的回转 。活塞式蓄能器能提供稳 定 、 可靠 的应 急动力油源 ， 保证设备在停电状况下的安 全运行 。 3 结束语 蓄能器在连铸机液压系统中的应用 还很多 ．如大 包长水 口机械手 、 扇形段液压系统、 中包快换水 口液压 系统等 ． 作为一个重要的液压辅助元件 ． 合理 的选用蓄 能器对于连铸机液压系统运行 的安全性 、 可靠性 、 经济 性都有非常重要的意义。 参考文 献 [ 1 ]1 江琳． 液压蓄能器的应用叨． 流体传 动与控制 ， 2 0 0 6 ， 6 ． [ 2 】 马雅丽， 黄志坚． 蓄能器实用技术啤 北京 化学工业出版社，2 0 0 7 ． [ 3 】 李新德， 董学琴． 浅谈蓄能器的充气[ J 】 ． 液压气动 与密封， 2 0 1 2 ， 1 1 ． [ 4 ] 成大先． 机械设计手册 第 5 卷 嗍 ． 北京 化学工业出版社， 2 0 0 8 ． [ 5 ] 姜继海． 液压 与气 体传 动[ M】 ． 北京 高等教育 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 6 ] 雷天觉． 新编液压工程手册 北京 北京理工大学出版社， 1 9 9 8 ． 5 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 O 9期 它比常压泄漏量大几倍或几 十倍 ； 另一方面因流量小 ， 往往为 1 L ／ mi n ．则稍有泄漏即使微泄漏也会产生很大 影响 ． 对高压系统 的升压或保压性能的影响尤为突出。 故对密封一定要严格要求 ． 考虑周全 。 尽可能不让它产 生泄漏 ． 应具有高可靠性 。对超高压的密封一定要注意 它 的安全性 高压元件及管路材质的致密性与强度绝 对可靠 ， 决不允许 出现微 隙或针孔 ， 因是超 高压 ， 一旦 泄漏 。 在一定范 围之内 ， 泄漏 出的射流 ， 像利箭一样会 伤人 ． 应特别注意它的安全性。 1 超 高压密封原理 超高压密封原理与 中高压液压元件或液压系统的 密封原理并无本质区别 ．它同样是利用密封件堵塞流 体流动的通道 ． 阻止泄漏而密封 ； 对于非接触的间隙密 封 ． 同样利用液流过长的间隙通道 ， 受到阻力 。 产生压 力损失 ， 到间隙出 口端压差近于零 。 就近于无泄漏而形 成密封。它与一般压力情况所不同的是 ， 属于堵塞的密 封件材质必须能承受超高压力 的挤压或 冲击 属于间 隙的密封 ． 其间隙值远 比一般压力间隙密封值小【 n 。 2 超高压密封件 的材料 尽管超高压 的密封原理与一般压力密封原理基本 上相同 ， 但是密封件却不一样 ， 需要其组织更致密， 防止 渗漏 。 防止被挤压损坏 。 则要求更结实。 一般当液流体介 质压力超过 1 0 0 MP a ， 就难再使用合成橡胶 、 皮革、 氟塑 料 ， 而用铝、 紫铜和铍青铜 ， 以及这些有色金属合金 ， 这 些金属及合金产生弹塑性变形 ． 有利于填充密封面凹凸 不平表面的凹陷微谷回 。 此外 ， 还有不锈钢及一些可淬硬 的钢材等 。空心的金属 0形密封圈可承受 3 5 0 MP a ． 甚 至达 7 0 0 MP a [ 1] 。淬硬的 4 5或 3 5 C r Mo A 1 等球面钢垫在 螺纹力强制作用下可密封 1 0 0 0 M P a左右的压力 3 液压件的超高压密封 超高压密封 同样分为静密封与动密封 若按照液 压系统组成分为管路密封与液压元件密封 。液压元件 中常见的有液压泵、 液压阀、 液压缸、 液压马达等。下面 介绍液压泵与液压缸的超高压密封问题。 3 ． 1 液压泵超高压密封 这里主要是往复式动密封 ．主要依靠 间隙密封与 填料密封。间隙密封多采用弹性圆筒衬套结构 ． 因液体 介质的粘性流动 。 产生压力损失。这种结构密封压力可 达 6 0 0 ～ 7 0 0 MP a超高压密封效果 超高压柱塞泵和滑阀的密封 ． 主要是合理确定柱塞 副、 滑阀副的间隙。 若间隙太小， 则柱塞、 滑阀会卡死 ； 间 隙过大 ， 在超高压情况下 ， 泄漏量大大增加 。 如以 8 0 MP a 径向柱塞泵为例 。 它 的柱塞直径为 8 mm。 若单边间隙 值 为 0 ． 0 0 3 ～ 0 ． 0 0 6 m m， 泵的容积效率可达 9 0 ％． 若 单边 间隙为 0 ． 0 0 8 ～ 0 ． 0 1 5 m m时． 泵的容积效率不高于 8 O ％。 对于直径较大的柱塞和增压活塞可采用组合式密 封装置闱 ， 如 图 1 a所示 。 它由 O形圈、 挡圈、 黄铜圈组合 装在带锥度的柱塞上用螺母拧 紧固牢 ．黄铜圈与柱塞 孔初始间隙为 0 ． 0 2 5 ～ 0 ． 0 7 6 mm 当柱塞端开始受到液压 力之后 。 0形圈受到挤压开始起密封作用。当压力增加 到某一值 ． 黄铜圈被压向锥形轴肩 ， 黄铜 圈受到锥轴 的 轴 向尤其径向作用 ． 同时黄铜 圈与柱塞孔径向缩小 ． 起 到一定密封作用 ． 其工作压力可达 1 2 0 MP a 。 如图 l b 、 图 1 c所示为增压缸和手动柱塞泵常用的密封装置 这种 密封装置一般有低压油辅助退回 ．因此活塞芯轴和增 压 活塞都是浮 动的 ．如此 密封装置 的工作压 力可达 1 0 0 MP a 或 略高 黄铜 圈 挡 圈 。形 圈 螺母 a b c 图 1 自紧 式 密 封 装 置 3 ． 2 液压缸的超高压密封 如 图 2是额定压力 口 8 5 MP a的液压缸 的上下两种 密封结构【 1 ] ， 工作速度 3 6 0 m ／ m i n ， 温度 t - 2 5 O n 1 4 0 C， 介质为液压油 ，工作场所一般 。在 车氏密封件 问世之 前 ， 国产密封件一般最高耐压不超过 6 5 MP a 。若设计 、 制造额定工作压力超过 6 5 MP a ， 不进 口国外密封件 ， 那 是很困难的。故本缸选用美 国优瑞纳斯 U R AN U S 的 G s 、 k g 、 K o 、 G o ， 支承环及 0形 圈 ， 挡环组成 动静密封 。 图 2中上下部分各一个密封方案 1 0 1 、 2 0形 圈、 挡 圈3 一 k g 形 圈组件4 、 5 、 9 - 支承环 6 一 G8 圈组件7 一 防尘 圈 8 一 G 0形 圈 1 O K0圈 图 2 超高压缸上下两方案密封结构 车氏超高压组合密封件 问世后 ．设计制造超高压 液压缸就不是很难 的事 ．车氏超高压组合密封 已成功 用 到超高压 的机械设备上 ．如太原某设备公 司生产 的 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e Ms ／ No ．o 9 ． 2 O 1 4 精压机压力为 2 5 0 MP a 南京某液压成套厂的超 高压清 洗车 ． 其介质工作压力为 2 0 0 ～ 2 5 0 MP a 江苏某公司 的 水压试验机 ， 压力在 1 0 0 MP a以上。充分说 明车氏超高 压 组合密 封对解决 超高压 液压产 品上 的密 封技术 难 题 ． 提升我国机电产品起 了积极作用。 4 液压管路系统超高压密封 液压管路系统是 由金属管 、软管及各种管接头组 成。主要考虑各种接头 的密封结构 ， 下面介绍几种超高 压密封接头 4 ． 1 扩 口接头超高压密封 当压力 p O ～ I O MP a可采用紫铜管 ．用工具扩成喇 叭 口与相应锥体用螺纹紧固连接而成 但此处是超高 压 ， 其接头密封形式相似而实质完全不一样嘲 。它是用 1 O或 1 5优质冷拨无缝钢厚壁钢管 管端部加热用专用 模具冲压而成 。 其喇叭 口与接头体公锥部分相似 ． 在两 者之间加上锥形铜垫 。在钢管喇 叭口上套一个与之相 似的铜喇叭接管或谓之护套 ． 然后将螺纹拧 紧 ． 其密封 压力可达到 8 0 ～ 1 0 0 MP a ． 如图 3所示 。 4 ． 2垫片孔 口超高压密封接头 同样选用 1 O或 1 5优质冷拨无缝 碳钢厚壁管子 管子端部加热用专 门工具打成端部平 台。必要 时再精 车加工 ， 后平 台与孔 口之 间加铜垫圈 ， 用螺纹拧紧 ， 可 密封压力 8 0 ～ 1 0 0 MP a ， 如图 4所示[3 ] 。 锥形铜垫 图 3锥形铜垫圈超 高压密封扩 口接头 图 4金属 平 垫 超 高 压 密 封 接 头 4 ． 3 O 形圈超高压密封接头 如 图 5所示 O形 圈加挡 圈超高压密封焊接接头 件 1加工 O形 圈。 挡圈沟槽 。 件 4外圆及凸台均应精加 工 。 沟槽应符合 0形 圈加挡 圈的要求。 件 4外表面应与 凸台平面垂直 尤其件 4与 0形圈接触面应有较低的 表面粗糙度 。 件 4及管子壁厚应符合超高压要求。 该超 高压 密封接头优点是装拆方便。它可密封液体的压力 为 8 0 I O O MP a 。 甚至可达 I O O MP a以上 。 l 2 3 4 1 一 锥螺 纹接头体2 0形圈3 一 挡圈4 一台阶接管 图 5 O形 圈超 高压密封接头 5阀块工艺孔 口超 高压密封 在液压系统 中常见有不少工艺孔尤其 以自行设计 制造整体箱式 阀块工艺孔最多 。 制造完成后必须封堵。 封堵时有两种情况 一种是永久性不需要再拆开 。 另一 种是封堵之后又常需要拆开 。对于前者采取焊接封堵 。 若工艺孔径 d 1 0 mm。 则将工艺 口扩大 。 填充小 圆柱 头 ． 再焊死 ， 如图 6 a 。 直接焊易将夹物掉人工艺孑 L 。若工艺 孔径 d ≥1 0 mm． 则将孔 口适当扩大些 ． 做带有 台阶小圆 柱 比工艺孑 L 径小 0 ． 5 ram 插人 工艺孔 ， 如图 6 b所示 。 若经 常拆 开工艺孔可采用螺纹 、 金属垫堵 、 螺纹球堵 、 锥堵等 。 如图 6 c 、 6 d 所示圈 。 b c d 图 6工艺孔 的堵塞 6 结论 超高压液压技术的使用 ．已给人们的生活与工作 带来很多 的方便与福音。如利用超高压技术切割坚硬 的实物 。 液压成形生产金刚石 ， 也可生产宝石 。不但 如 此 ． 超高压技术 日益扩展到其他领域 ． 使用超高压液压 设备 日益增多 ， 而且超高压液压试验装备也随之增多。 但影响该项技术的重要 因素之一就是超高压液 压密封 需要尽快努力 ， 不断完善 。超高压密封 ， 无论是静密封 还是动密封及其密封件 ， 至今并无标准可参照。目前只 是人们在超高压密封实践中探索 。 求其完善 。若超高压 液压密封可靠 ， 则安全性也就大大提高了。 参考文 献 Ⅲ 1 张绍九． 液压密封【 M1 ． 北京 化学工业出版社， 2 0 1 2 ． 【 2 】 付 长安， 张显余 ． 超 高压 液压技术 的探 讨[ J ] ． 液压气动 与密封， 2 0 1 0 ， 1 1 ． 『 3 13 黄迷梅． 液压气动密封与泄露防治呻 北京 机械工业出版社2 0 0 3 ． [ 4 】 陈士田． 超高压组合密封的研制与应用[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 2 ， 1 1 ． [ 5 】 尚建 国． 超 高压液压 元件及 系统 的密 封[ J ] ． 液压气 动与密封 ， 1 9 9 6 ， 2 ． 57