高水基高壓大流量安全閥密封失效分析

郭冰菁，申歡歡，李閣強，聶辰鵬，吳曉路

(1.河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，河南洛陽471003;2.濟寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，山東濟寧 272037)

隨著液壓支架向大工作阻力和大采高方向發(fā)展，支架液壓系統(tǒng)的工況參數(shù)逐漸增大，在此極端工況下，高壓大流量安全閥的作用尤為重要。液壓支架的安全閥主要用于保證支架具有可縮性和恒阻性［1］。安全閥在正常工況下長時間不開啟或經(jīng)長時間間隔偶爾開啟，立柱在彈性伸縮狀態(tài)下工作，這種狀態(tài)下安全閥始終關(guān)閉或小流量啟溢閉，安全閥需要具有良好密封性能，此時密封形式為靜密封。在沖擊地壓頂板、堅硬難冒頂板等工況下，安全閥較頻繁地間斷開啟，大流量啟溢閉，體現(xiàn)了支架的恒阻性，此時為往復(fù)密封形式。在這兩種工況下，一旦安全閥的密封失效，液壓支架的支撐作用就會受到影響，直接導(dǎo)致液壓支架的支護作用喪失，影響工作環(huán)境安全。

由此可見，研究高水基高壓大流量安全閥的密封失效問題具有較高技術(shù)經(jīng)濟價值。文中根據(jù)4 500 L/min高水基安全閥的結(jié)構(gòu)，運用有限元軟件ADINA進行仿真，對此類安全閥密封形式的選擇以及密封特性進行分析。

1 高壓大流量差動式安全閥結(jié)構(gòu)

高水基安全閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該安全閥為差動式，采用平衡腔結(jié)構(gòu)，額定流量為4 500 L/min。主要組成部分有閥芯、閥座、閥套、平衡腔。這種結(jié)構(gòu)的安全閥在高壓大流量工況下具有工藝性好、卸載靈敏度高的特點。閥芯與閥體、閥套之間的接觸面安裝有密封裝置，并以接觸式密封的形式將其壓縮安裝在密封溝槽中，利用彈性體本身的彈性補償特性，使其始終緊壓密封面從而進行密封［2］。

對于高水基高壓大流量安全閥所采用的接觸式密封，為保證密封副具有長久的使用壽命與良好的密封性能，必須選擇合理的接觸密封比壓。不同的工況條件下，最佳接觸密封比壓是不相同的。合理地選擇密封形式、確定密封預(yù)壓縮量，對于控制安全閥的泄漏具有十分重要的意義。因此，文中通過運用有限元軟件ANIDA仿真分析選擇組合密封的必要性和在高壓大流量的工況下，確定該安全閥組合式密封預(yù)壓縮量和最佳接觸密封比壓。

圖1 安全閥結(jié)構(gòu)圖

2 密封材料及結(jié)構(gòu)確定

密封性是檢驗液壓支架用高水基高壓大流量安全閥品質(zhì)的重要指標(biāo)［3］。由于此安全閥工作壓力高及高水基介質(zhì)的特殊性，導(dǎo)致安全閥的密封失效經(jīng)常發(fā)生。從該安全閥密封結(jié)構(gòu)可知，安全閥開啟時，閥芯在液動力的作用下往復(fù)過密封圈，閥芯上沿圓周方向分布的小孔對密封圈進行刮擦，為預(yù)防密封圈被小孔劃傷，需減小閥芯圓周上的小孔直徑，并增大密封圈與閥芯之間預(yù)壓縮量，因此，這種密封結(jié)構(gòu)首先導(dǎo)致卸荷量小;其次往復(fù)運動中產(chǎn)生的摩擦力非常大、發(fā)熱量高而加速損壞，導(dǎo)致密封圈過早失效，產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象。

2.1 密封材料的選擇

由于安全閥體積較小，所以在密封件的選擇上以O(shè)型圈最為合適。近年材料學(xué)的發(fā)展，使O型圈的材料更加豐富，常見有:聚四氟乙烯、聚氨酯、橡膠等［4］。考慮支架用高壓大流量安全閥的快速卸荷及嚴(yán)格密封性的雙重要求，為確定密封圈材料，文中分別對聚四氟乙烯、聚氨酯兩種材料的特性進行了仿真分析。在ADINA中采用Mooney-Rivlin材料［5］模型建立仿真模型，見圖2。選取O型圈直徑25 mm，O型圈橫截面直徑3 mm，壓縮量為20%。

圖2 壓縮量20%時O型圈模型

選擇聚四氟乙烯和聚氨酯兩種材料進行仿真，聚氨酯橡膠的設(shè)置參數(shù)在ADINA軟件中直接調(diào)用。由實驗測得聚四氟乙烯的壓力和壓縮量之間的關(guān)系曲線如圖3所示，仿真參數(shù)按照實驗曲線設(shè)置。在壓縮量為20%時2種材料的受力仿真如圖4(a)、 (b)所示。

圖3 聚四氟乙烯壓力與壓縮量之間的實驗曲線

從圖4中可看出，在壓縮量為20%時，聚四氟乙烯O型圈徑向承受的壓力為0.48 MPa，而聚氨酯O型圈徑向承受的壓力為0.009 MPa。聚四氟乙烯比聚氨酯的硬度大，所以在相同壓縮量下，聚四氟乙烯O型圈所受的壓力比聚氨酯O型圈的大，仿真結(jié)果與實際結(jié)果一致。

聚氨酯過軟，容易變形，而聚四氟乙烯過硬，使得壓力過大，影響閥的正常開啟，單獨使用這兩種O型圈進行密封都不合適。但是聚氨酯硬度低，能很好地提供預(yù)緊力;聚四氟乙烯硬度高，耐磨，能很好地與接觸面進行接觸［6］。最終確定在此安全閥中采用由聚氨酯O型圈和低摩擦因數(shù) (聚四氟乙烯)的滑環(huán)組成的組合密封。其接觸應(yīng)力由聚氨酯O型圈提供，由于聚四氟乙烯滑環(huán)彈性差，變形相對較小，因此預(yù)緊力主要來自O(shè)型圈。與單獨使用O型橡膠密封圈相比有以下優(yōu)點:(1)摩擦力小，動作靈活;(2)密封可靠，壽命長;(3)可以加大閥芯小孔直徑，提高安全閥的卸載能力。

密封副的彈性與耐磨性之間有一定的矛盾，因此采用聚四氟乙烯環(huán)作為支撐及主摩擦副，提高密封壽命。

圖4 不同材料O型圈受力仿真

3 組合密封預(yù)壓縮量的確定

由以上分析可知，安全閥閥芯與閥體、閥芯與閥套之間的接觸面采用聚四氟乙烯密封圈和聚氨酯O型圈的組合式密封，如圖5所示，聚四氟乙烯密封圈與閥套表面接觸，聚氨酯橡膠O型圈在安裝過程中提供預(yù)壓縮量，保證聚四氟乙烯密封圈和閥套的緊密接觸，自動補償由于運動過程中密封件的磨損而造成的間隙。

圖5 組合式密封仿真模型

聚四氟乙烯密封條和閥套之間的密封是主密封面，O型密封圈與閥芯之間的密封是副密封。對于密封性能來說，密封性能的好壞主要取決于主密封面之間的接觸壓力是否大于介質(zhì)壓力，當(dāng)密封面之間的接觸壓力小于介質(zhì)壓力時，介質(zhì)壓力自然使得密封面分離，造成了泄漏;然而當(dāng)密封面之間的接觸壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于介質(zhì)壓力時，介質(zhì)壓力無法使兩者分開，同時也造成了較大的摩擦力［7］。

此安全閥的工作壓力為40 MPa，圖6是在40 MPa介質(zhì)壓力情況下不同預(yù)壓縮量的組合式密封壓力云圖。

圖6 40 MPa、不同預(yù)壓縮量下應(yīng)力云圖

從圖6可以看出:當(dāng)安裝預(yù)壓縮量分別為10%和15%、介質(zhì)壓力為40 MPa時，聚四氟乙烯密封圈已經(jīng)部分?jǐn)D到密封槽外，密封易失效，并且主密封面上的接觸壓力只有施加介質(zhì)壓力一端處的倒角位置達(dá)到近似73 MPa的壓力，雖然密封面上的最大接觸應(yīng)力大于介質(zhì)壓力可以實現(xiàn)密封，但是只有一端滿足上述要求，該部位易于磨損使得密封件的密封性能大大降低;當(dāng)安裝過盈量為20%、介質(zhì)壓力達(dá)到40 MPa時，聚四氟乙烯密封圈兩端的壓力均可以達(dá)到50 MPa以上，可以滿足密封要求，并且接觸應(yīng)力分布對稱，可以減輕聚四氟乙烯密封圈的磨損;當(dāng)安裝過盈量為25%、介質(zhì)壓力為40 MPa時，聚四氟乙烯密封圈一端倒角處的接觸壓力高達(dá)70 MPa，可以滿足密封需求，但會造成液壓閥開啟力過大，而且兩端接觸壓力差值較大，尤其在往復(fù)運動過程中大大增加了密封條的磨損，容易使密封副產(chǎn)生塑性變形，加劇閥芯和閥套接觸面磨損，引起泄漏。綜上所述，選擇安裝預(yù)壓縮量為20%。

4 結(jié)論

通過對額定流量為4 500 L/min的安全閥密封形式的確定、密封材料的選擇及密封參數(shù)的仿真分析，探討了此類安全閥應(yīng)采用橡膠和聚四氟乙烯O型圈的組合式密封的原因，并確定了最佳的預(yù)壓縮量為20%。針對極端工況，為降低高壓大流量安全閥的密封失效提供了理論分析方法，對保障液壓支架系統(tǒng)整體的可靠性有著重要的作用。

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