液压系统密封及管接头油口选择的设计研究
摘要：
在工程机械主机液压系统中, 液压管接头及连接油口的设计对整个液压系统的密封可靠性, 尤其是整个主机的正常运转至关重要, 如设计选用不当, 会造成管路泄漏以及污染环境。基于管接头的选择主要是根据主机油口结构的设计要求, 从液压密封装置的要求、密封件的主要基础材料、常用液压系统油口的类型、管接头及油口端选择进行了系统阐述, 并总结出了液压系统中不同形式油口的密封结构以及连接管接头的选择原理。
引言
密封装置是保证液压与气压系统正常工作的最基本也是最重要的装置, 主要用来防止液体或气体的泄漏。良好的密封是液压系统能够传递动力、正常工作的保证。如果密封不好, 将会造成系统和元件的泄漏加大, 使系统压力和容积效率降低, 造成能量的损失, 严重时会导致液压系统的油液外泄污染环境, 因此正确地设计液压系统的连接管接头及油口的密封形式非常重要。
1 液压系统密封装置的要求
(1) 具有良好的密封性, 即有适宜的弹性, 能补偿所密封表面在制造上的误差与工作中的磨损, 并随着压力的增大自动地提高密封程度;
(2) 具有良好的稳定性, 即油液浸泡对其形状尺寸的变化影响要小, 温度对其弹性和硬度的变化影响也要小;
(3) 摩擦力小, 运动灵活, 工作寿命长;
(4) 结构简单, 制造、使用、维修简便。
2 密封件主要基础材料
常用的液压系统密封材料有以下几种
(1) 丁腈橡胶NBR耐油橡胶, 具有良好的弹性与耐磨性, 工作温度一般为-20~100℃, 有一定的强度, 摩擦系数较大。适用范围:液压油、脂肪油、碳氢化合物润滑油、动植油、水、丁烷、压缩气体等;
(2) 氟橡胶FKM耐高温, 耐油橡胶, 工作温度一般为-15~240℃, 有一定的强度, 摩擦系数较大。适用范围:油料、臭氧、恶劣天气、液压流体、化学溶剂、不易燃的油料和化学产品等;
(3) 硅橡胶VMQ耐高、低温且抗酸和弱碱腐蚀, 绝缘性能良好的橡胶, 工作温度一般为-60~250℃。适用范围:低温或高温、惰性气体、酸和弱碱、臭氧。
3 常用液压管接头密封油口的类型
在工程机械主机产品的液压系统中常见的与管接头相配合的油口有以下几种类型:
3.1 公制、美制及英制螺纹柱端带锪孔沟槽的O形圈密封15°内倒角油口结构
15°内倒角油口类型在液压管路中的泵 (执行元件) 、马达 (动力装置) 的进出油口的设计方案中比较常用如图1所示, 其螺纹形式由泵、马达的生产厂商根据不同标准, 公制螺纹(ISO 6149-1标准)、美制统一螺纹 (ISO 11926-1标准) 、英制管螺纹 (JIS B2351标准) 连接, 密封形式是采用O形圈密封。
图1 15°内倒角油口
3.2 公制、英制螺纹柱端弹性密封圈或金属对金属密封的平油口结构
这种油口在液压管路中的阀、合流块、泵等静密封的进出油口的设计方案中常用, 如图2所示。其加工过程相对15°内倒角油口比较简便, 只是加工完内螺纹后, 再对油口锪平一个浅沉确保管接头与油口密封面之间的垂直度要求, 使管接头和ED垫圈与油口的锪平面完全贴合, 形成密封, 减少连接面的渗漏。
平油口的螺纹形式生产厂商根据不同标准, 有公制螺纹 (GB/T 19674.1标准) 、英制管螺纹 (ISO1179-1标准)连接, 密封形式是采用ED弹性密封圈密封, 或用管接头与油口之间的尖角密封。
图2 平油口
3.3 英制锥管螺纹密封、美制NPT锥管螺纹油口结构
(1) 英制55°牙型角锥管螺纹密封油口结构:也称用螺纹密封的油口, 如图3所示。这种螺纹极限尺寸及公差符合GB/T 7306规定, 与管接头连接时不需加填料或使用密封介质就能防止渗漏, 其中圆锥内螺纹油和圆锥外螺纹接头连接可在高温及高压下采用;
(2) 美制60°牙型角锥管螺纹NPT密封油口结构:如图3所示, 极限尺寸及公差符合GB/T 12716规定, 其主要用于燃油和润滑油管路接头的油口, 同时也适于高温、高压系统。
图3 管螺纹油口
4 液压系统密封的管接头及油口端选择
4.1 外螺纹接头配合O形圈密封
外螺纹接头配合O形圈密封形式, 如图4所示。O形圈装入液压管接头体后, 通过装配旋入油口15°内倒角受到压缩后变形, 适用选择的油口如图1所示, 在设计此O形圈密封的接头与油口时, 表面锪平沉孔、内倒角尺寸及螺纹深度的连接配合至关重要。
1) 油口平面沉孔及15°内倒角配合要点
(1) 油口沉孔直径:d2≥d7+2.2, 且d7>d5
(2) 油口沉孔深度:L3≤L5-0.5
表1 15°内倒角尺寸及配合要点
图4 外螺纹配合O形圈密封
2) 15°内倒角与接头配合要点
15°内倒角的直径一般小于管接头圆台直径, 深度一般与螺距有关, 见表1。
3) 螺纹深度配合要点
(1) 油口内螺纹攻深:L4≥L6+0.5
(2) 油口加工孔钻深:L2≥L4min+ (1.5~2) P
P———螺距
d1———螺纹直径规格
d2———油口锪平沉孔直径
d5———油口15°内倒角的直径
d6———与油口配合的管接头圆台直径
L2———油口螺纹孔钻深
L3———油口锪平沉孔深度
L4———油口内螺纹攻深
L5———与油口配合的管接头六方下端面至圆台端面长度
L6———与油口配合的管接头圆台下端面至外螺纹端面长度
4.2 外螺纹配合ED密封
外螺纹配合ED密封形式如图5所示, ED弹性密封圈是被广泛应用于液压系统的油口密封形式, 简易的外形使其得以快速方便地安装, 与O形圈不同的是ED弹性密封圈不会在沟槽中扭曲变形。适用油口如图2所示:在设计此ED密封的过渡接头与油口密封时, 表面锪平沉孔及螺纹深度的连接配合尺寸至关重要。
图5 外螺纹配合ED密封
1) 油口平面沉孔配合要点
(1) 油口沉孔直径:d4≥d7+1.1
(2) 油口沉孔深度:L1L5 min-0.5
2) 螺纹深度配合要点
(1) 油口内螺纹攻深:L2≥L6
(2) 油口加工孔钻深:L13≥L2 min+2P
d4———油口锪平沉孔直径
d7———与油口配合的管接头圆台直径
L1———油口锪平沉孔深度
L2———油口内螺纹攻深
L13———油口螺纹孔钻深
4.3 法兰面带O形圈沟槽的密封
一般O形密封原理如图6所示, O形圈装入密封槽后, 其截面受到压缩后变形。在无压力时, 靠O形圈的弹性对接触面产生预接触压力, 实现初始密封, 当密封腔充入有压工作介质后;在压力的作用下, O形圈被挤向沟槽的一侧, 密封面上的接触压力上升, 提高了密封效果。在动密封中, 当压力大于10 MPa时, O形圈就会被挤入间隙中而损坏, 为此有时需要在O形圈低压测设置四氟乙烯或尼龙制成的挡圈, 如图7所示, 其厚度为1.25~2.5 mm。双向受高压时, 两侧都要加挡圈, 且一般在活塞静密封中运用较多, 而法兰是端面密封, 不需加挡圈。
图6 O形圈密封原理
图7 O形圈密封挡圈设置
1) 法兰面配合O形圈密封原理
这种密封是用分离式法兰片和螺栓进行压紧实现轴向密封, 其密封件O形圈是受介质压力后, 实现径向变形, 如图8所示。在实现密封时, 根据系统介质所产生压力方向的不同, 有受轴向内部和外部压力之分, 此类密封在工程机械中大多数是在液压系统中的液压泵、马达的进回油口的轴向密封形式中采用。
图8 法兰面带O形圈沟槽的密封
2) 法兰面O形圈沟槽的设计
法兰面密封形式中O形圈在安装时, 必须保证适当的预压缩量, 过小不能密封, 过大则摩擦力增大, 且易于损坏。因此, 安装O形圈的沟槽的尺寸设计和表面精度需按相关标准和手册给出的数据严格保证。
(1) 轴向密封 (受内部压力) , 压力从内测:O形圈外径压缩, 如图9的设计一般是以d9尺寸为作为选配O形圈的定位尺寸, 其法兰沟槽外径d9基本尺寸可按下式规定:
图9 轴向受内部压力的沟槽
式中, d9———轴向密封的沟槽外径 (受内部压力)
d10———O形圈内径
d11———O形圈截面直径
d9值一般根据O形圈截面尺寸的不同其相对于所选O形圈外径的压缩过盈量一般为0.2~1.1 mm。
(2) 轴向密封 (受外部压力) 压力从外测:O形圈内径压缩, 见图10的设计一般是以d12尺寸作为选配O形圈的定位尺寸, 其法兰沟槽外径d12基本尺寸可按下式规定:
图10 轴向受外部压力的沟槽
式中, d12———轴向密封的沟槽内径 (受外部压力)
d12值一般根据O形圈截面尺寸的不同, 其相对于所选O形圈内径的拉伸过盈量为0.2~1 mm。
(3) 轴向密沟槽宽度b应当比变形后O形圈截面尺寸要大, 一般以其材料体积溶胀值为15%来计算, 深度h一般以O形圈截面压缩率数值来确定, 其极限值及对应的压缩率η变化范围如表2、图11所示。
(4) 轴向密沟槽宽度h的计算
轴向密沟槽宽度h一般根据O形圈受挤压后的最大和最小压缩率图11来计算, 具体可按下公式:
表2 轴向密封沟槽宽度、深度的极限值及对应的O形圈压缩率
图11 轴向密封O形圈最小、最大压缩率
5 结论
液压管接头的密封及油口的设计对整机的液压系统至关重要。在设计过程中, 首先要了解不同主机产品在工作时的作业工况, 其次根据系统所要求的密封状态来确定管接头与油口连接处是动密封还是静密封, 且要充分考虑密封装置的要求, 根据油液介质性质和工作温度选择符合条件的密封件, 以及选择、设计相匹配的油口连接形式, 其中油口与接头配合面的尺寸是设计主要关键点。
本文作者：刘晓芳