大流量插裝閥金屬密封技術的分析及優化設計

武新柱，張云鶴，石志鵬，劉振華，張世翰，劉海洋，胡新亮，廉德萌

（國機鑄鍛機械有限公司，山東 濟南 250306）

本文研究的通徑DG160～DG200大型插裝閥主要用于快鍛及其他快速工作系統中執行機構，工作頻率達80～90次/分，這就要求插裝閥必須具備快速啟閉特性、頻繁換向且高速運動、承受重載沖擊，在工作環境溫度-20℃～80℃、運動速度高達200mm/s條件下具備運動靈活、快速換向，可靠無卡阻。這就對插裝閥的關鍵零件閥芯閥套的密封有個更高的要求。要確保元件在高速運行下密封效果好，壓力保持平穩。

密封設計是液壓系統和液壓元件設計的關鍵部分。內泄露，會引起液壓系統容積效率的急劇下降，達不到所需的工作壓力，使機械設備無法正常運作。外泄露，會造成工作介質浪費和污染環境，甚至引發機械操作失靈和人身事故。因此，正常設計和使用密封件是保證液壓設備正常運轉的重要保證。

大流量插裝閥主要有三種密封，分別是O型圈密封、閥芯閥套之間的金屬圓柱密封、閥芯頭部錐面緊貼在閥座上的線密封。本文主要分析閥芯閥套之間的金屬圓柱密封。

1 閥芯與閥套圓柱密封的分析與優化

插裝閥閥芯和閥套之間具有一定的配合間隙，配合間隙內的流場特性直接影響閥的性能。閥芯閥套之間配合間隙的大小隨著閥套的長度大小、直徑大小、間隙大小，閥芯上是否有均壓槽，閥芯閥套中心線是否有偏心距等的不同而不同，對閥芯閥套之間間隙特性的研究，以及結構參數的優化，是液壓技術中的重要研究方向。

隨著閥芯閥套之間間隙參數的不同，間隙之間的流體流動的一些現象也會改變，但總是以流體在間隙之間流動的運動學和動力學為基礎的，所以應當把研究閥芯閥套之間縫隙內流體的流動狀況以及流體與閥芯閥套的固體部件之間的動力學相聯系。

液壓元件出現卡緊時，會對液壓系統以及閥的工作性能產生很大影響，輕者會使閥芯運動時的摩擦力增加，造成動作遲緩。重者會使液壓元件內的相對移動完全卡住，不能運動，造成不能動作的現象，甚至還會危及設備甚至人身安全。過大的泄漏量不但能造成能量損失，同時影響執行機構的正常工作和運動速度。

本文深入分析插裝閥工作機理，采用現代微摩擦學和液壓往復密封理論，分析主閥內閥芯、閥套間滑動密封時的穿漏、滲漏狀況，優化了各部分的配合公差和結構參數。

1.1 縫隙流動泄漏量的研究

閥芯與閥套之間的配合間隙直接關系到閥的動作可靠性和泄漏量的大小。如果間隙過小，則閥芯動作不夠靈活，溫度升高后甚至使閥芯卡死；若果間隙太大，則泄漏量加大，造成功率損失，甚至引起元件誤動作。

配合間隙的正確選取，并不是易事。它直接牽連到閥芯直徑、油液粘度、零件材料、加工工藝水平等多種因素，通常需要試驗來進行確定。設計中，參考Chaimowitsch給出的閥芯直徑與配合間隙的關系曲線圖，如圖1所示。

圖1中，實線表示沒有密封裝置的情況，最大間隙曲線表示受泄漏量限制所給出的間隙最大值，最小間隙曲線表示保證閥芯動作可靠性所給出的間隙最小值。點畫線則表示閥芯、閥套間有密封裝置的情況，其是在實線的基礎上相應放大并作分段處理而得到的。

在確定閥芯與閥套之間的配合間隙時，設計中常選定間隙下限為上限的50%～70%。

采用泄漏量公式進行初算，按最大偏心環形縫隙流動情況處理，有如下公式：

圖1 閥芯直徑-配合間隙關系曲線

式中：QX——環形縫隙泄漏量；

δ——閥芯與閥套之間的半徑間隙；

μ——油液動力粘度；

Lf——有效封油長度；

通過對插裝閥多年的生產和使用經驗，通徑DG160～DG200閥芯閥套圓柱面配合間隙控制在0.04～0.08mm較為合理，既能達到精度要求又能保證加工的經濟性。

代入文本所設計的大流量閥中，計算得出以下泄漏量值，如表1所示。

如圖2所示為DG200插件的閥芯閥套圓柱密封實物圖。

圖2 DG200插件閥芯與閥套圓柱密封

1.2 液壓卡緊力的影響及采取措施

如果閥芯與閥套都是完全精確的圓柱形，而且徑向間隙中不存在任何雜質、徑向間隙處處相等，就不會存在因泄露而產生的徑向不平衡力。但事實上，閥芯和閥套的幾何形狀及相對位置均有誤差，使液體在流過閥芯與閥套間隙時產生了徑向不平衡力，稱之為側向力。由于這個側向力的存在，從而引起閥芯移動時的軸向摩擦力，稱之為卡緊力。如果閥芯的驅動力不足以克服這個阻力，就會發生所謂的卡緊現象。

表1 閥芯、閥套配合間隙與泄漏量值

閥芯上的側向力如圖3所示，圖3中P1和P2分別為高、低壓腔的壓力。圖3a表示閥芯因加工誤差而帶有倒錐（錐部大端在高壓腔），同時閥芯與閥套軸心線平行但不重合而向上有一個偏心距e。如果閥芯不帶錐度，在縫隙中壓力呈三角形分布（圖中點劃線所示）。現因閥芯有倒錐，高壓端的縫隙小，壓力下降較快，故壓力分布呈凹形，如圖3a中實線所示；而閥芯下部間隙較大，縫隙兩端的相對差值較小，所以3b比3a凹得較小。這樣，閥芯上就受到一個不平衡的側向力，且指向偏心一側，直到二者接觸為止。圖3b所示為閥芯帶有順錐（錐部大端在低壓腔），這時閥芯如有偏心，也會產生側向力，但此力恰好是使閥芯恢復到中心位置，從而避免了液壓卡緊。圖3c所示為閥芯因彎曲等原因而傾斜時的情況，由圖可見，該情況的側向力較大。

根據流體力學對偏心漸擴環形間隙流動的分析，可計算出側向力的大小。當閥芯完全偏向一邊時，閥芯出現卡緊現象，此時的側向力最大。最大液壓側向力值為：

則移動閥芯需要克服的液壓卡緊力為：

式中：f——摩擦系數，介質為液壓油時，取f=0.04～0.08。

為了減小液壓卡緊力，可采取以下措施：

（1）在倒錐時，盡可能地減小，即嚴格控制閥芯或閥套的錐度，但這將給加工帶來困難。

（2）在閥芯上開均壓槽。均壓槽可使同一圓周上各處的壓力油互相溝通，并使閥芯在中心定位。開了均壓槽后，引入液壓卡緊力修正系數為K，可將式（3）修正為：

開一條均壓槽時，K=0.4；開三條均壓槽時，K=0.063；開七條均壓槽時，K=0.027。槽的深度和寬度至少為間隙（閥芯與閥套的間隙）的10倍，通常取寬度為0.3～0.5mm，深度為0.8～1mm。槽的邊緣應與孔垂直，并呈銳緣，以防臟物擠入間隙。槽的位置盡可能靠近高壓腔；如果沒有明顯的高壓腔，則可均勻地開在閥芯表面上。開均壓槽雖會減小油封長度，但因減小了偏心環形縫隙的泄漏，所以開均壓槽反而使泄漏量減少。

綜上所述，所以開均壓槽是減小液壓卡緊力最簡便最有效的方法。

圖4為本文大流量插裝閥閥芯上均壓槽的示意圖，根據多年積累的經驗以及多次的試驗結果，DG160～DG200插件上均壓槽個數均取7個，槽寬5mm，槽深1mm。如圖5、圖6所示，其余閥芯的均壓槽不一一列舉。圖7為實物圖。

圖3 閥芯上的側向力

圖4 均壓槽示意圖

圖5 DG160插裝閥閥芯上均壓槽

圖6 DG180插裝閥閥芯上均壓槽

圖7 DG200插件均壓槽

2 總結

密封設計是液壓系統和液壓元件設計的關鍵部分，本文深入分析了大流量插裝閥（通徑DG160～DG200）主閥內閥芯、閥套間滑動密封的各種狀況，在設計時優化了配合公差和結構參數，在高壓高速運轉下進行了各種密封試驗，均能確保元件在高速運行下密封效果好，壓力保持平穩，抗污染能力強，滿足了加工設備的精度要求。