小型挖掘機多路閥泄漏特性分析

翟海燕，邢紅兵，薛 源

（江蘇匯智高端工程機械創新中心有限公司，江蘇 徐州221004）

0 引言

液壓元件普遍存在泄漏問題，作為小型挖掘機核心零部件的多路閥亦是如此。

在多路閥的研究中主要研究內泄漏。劉繼凱[1]基于公式和仿真模型，指出選取閥芯、閥體材料時，應使閥芯的線膨脹系數比閥體的線膨脹系數大，增加閥芯與閥體的間的縫隙長度、減小偏心量及閥芯直徑均對減小縫隙間泄漏量有顯著影響；徐龍[2]通過MATLAB建立內泄漏數據分析軟件，通過軟件界面命令的簡易化操作實現內泄漏試驗數據多方面的短暫存儲、疊加和分析，操作方便，功能全面，易于維護。

綜上所述，學者對內泄漏的問題多集中于工作參數的影響，而對于工程實際應用涉及較少。本文作者基于某型小型挖掘機多路閥開發試驗過程中出現的泄漏問題及解決驗證過程，分析總結影響多路閥外泄漏和內泄漏的原因并提出解決方案供參考。

本文所涉及的小型挖掘機多路閥為片式液控先導控制負載敏感多路閥，具體結構如圖1所示，包括1個進油聯1、8個工作聯2和1個尾聯3共10個閥片，工作聯片間安裝有密封4和其他零件，通過雙頭螺柱5、螺母6將10個閥片連接成總成多路閥。

圖1 某型小型挖掘機片式多路閥結構

1 外泄漏

1.1 片間泄漏

片間泄漏是片式多路閥的一個頑疾，圖2為本文所涉及的小型挖掘機片式多路閥的工作聯閥體結構，負載壓力控制口Lc和反饋口Ls有密封槽安裝有密封圈，高壓腔P和單向閥高壓腔受空間限制無密封槽，外圈密封槽與T腔相通，可將外圍密封槽內擠壓的液壓油引到低壓腔T，外圈密封結構降低了片間泄漏的概率。該型小型挖掘機片式多路閥在臺架可靠性驗證過程沖發現片間有少量滲油，利用魚骨圖工具，對可能引起滲油的原因包括O形圈槽深、密封面平面度、密封圈硬度、連接閥片的雙頭螺柱螺母力矩設定值、力矩的衰減等進行梳理并逐一臺架驗證，得到結論為：在零件滿足設計要求的前提下，片式多路閥連接閥片的雙頭螺柱的同步擰緊可消除片式多路閥片間漏油的風險，同時推薦選擇低壓密封圈硬度為邵爾硬度70度。

圖2 小型挖掘機片式多路閥的工作聯閥體結構

1.2 端蓋泄漏

小型挖掘機多路閥的端蓋材質多為鋁合金，其密封型式為軸向密封，端蓋內最壓力為3 MPa，但是在臺架驗證過程中所有16個端蓋都普遍滲油，通過對所有影響因素進行梳理并實際臺架驗證確定端蓋泄漏的影響因素主要有：（1）密封圈硬度為邵爾硬度70度，壓縮率最優范圍為23% ～28%；（2）密封圈槽深均勻，誤差不能超過0.1 mm；（3）端蓋螺釘安裝擰緊力矩，M5螺釘擰緊力矩為11～12 N·m。

1.3 插裝閥和堵頭泄漏

螺紋插裝閥和堵頭均為螺紋安裝件，也是小型挖掘機多路閥的關鍵部件，也是外泄漏點之一。螺紋插裝閥的密封型式一般為O形圈密封，堵頭的密封形式一般為O形圈密封和ED密封，其泄漏的根本原因是密封圈損壞。通過對早期和中期漏油的零件進行分析可得到如下結論：（1）螺紋安裝件早期漏油為零件裝配時密封圈已損壞，故建議裝配時O形圈需涂抹黃油，消除切圈的可能性；裝配ED密封堵頭來時ED密封圈必須置于凹槽中，消除裝配時擠壓損壞風險；（2）中期漏油主要是密封圈老化或螺紋件松動或螺紋件擰的過緊導致密封圈損壞，故建議螺紋件的裝配必須嚴格按照廠家規定的力矩擰緊。

2 換向內泄漏

對于本文所涉及的小型挖掘機多路閥來說，如上所述，因工作聯閥體密封面高壓腔P和單向閥高壓腔受空間限制無密封槽，故多路閥處于工作位時，各聯的連接配合密封面上的高壓腔會向低壓腔T泄漏，也成為換向泄漏量的主要組成部分，該泄漏量是由兩個配合面之間的間隙引起，其大小可以按照間隙流量公式[3]（1）近似計算：

式中：h為兩閥體配合面之間的間隙，b為寬度，Δp為壓差，l為沿液流方向長度，μ為動力粘度。

由式（1）可以看出間隙h是最敏感的參數，而h是由閥體配合面的平面度決定。小型挖掘機多路閥一般由8個工作聯、1個進油聯和1個尾聯組成，包括9個密封配合面，圖3是閥體平面度不同時小型挖掘機多路閥的換向泄漏量隨壓差變化的曲線，曲線1是平面度超差時換向泄漏的曲線，曲線2是平面度在0.01 mm以內時的換向泄漏量隨壓力變化的曲線。因此對于該型小型挖掘機多路閥來說，閥體平面度是制造控制的關鍵參數，一般小于0.02 mm。

圖3 換向泄漏量隨壓差變化曲線

3 中位內泄漏

對小型挖掘機來說，因其市場競爭激烈，成本控制極為嚴格，而且為效率型機械，工作裝置液壓缸不會加平衡閥或液壓鎖，故工作裝置姿態的保持完全要靠多路閥的中位內泄量來保證，一般情況下動臂的大腔（上升位）和斗桿的小腔（外擺位）的泄漏量要求極為嚴格。圖4為本文涉及的小型挖掘機多路閥的動臂或斗桿的工作聯結構剖面示意圖。

圖4 動臂或斗桿聯工作聯結構剖面示意圖

由圖4可以看出，A口的泄漏通道包括2條，第1條為主閥芯和閥孔的配合間隙，第2條為過載補油閥與閥體閥孔的錐面配合面，因過載補油閥的單向閥和溢流閥均為錐面配合，基本能實現零泄漏，故A口的泄漏量主要由主閥芯和閥孔的配合間隙決定，大小可按照同心環狀間隙公式[3]（2）近似計算。

式中：d為圓柱直徑，h為環狀間隙，μ為動力粘度，l為軸向間隙長度即閥芯和閥孔的遮蓋量，Δp為壓差。小型挖掘機多路閥的配合間隙一般控制為0.002～0.003 mm，閥孔的圓柱度 ＜0.003 mm，實測A口（即不帶保持閥工作口）的泄漏量在壓力為7 MPa，液壓油溫為50℃時能夠達到 ＜8 mL/min。

B口增加了保持閥，隔斷了B口和C腔，保持閥與閥體閥孔的配合為球面和錐面的配合，基本上能夠實現零泄漏，故消除了C腔通過主閥芯和閥孔的配合間隙到T的通道。通過臺架實測及數據統計可得到如下結論：保持閥的增加使得B口的中位泄漏量更小，零件1、2、3合格的前提下，B口泄漏量在壓力為7 MPa，液壓油溫為50℃時能夠達到＜3 mL/min，需重點關注閥體1保持閥孔和過載補油閥孔的加工質量。

4 結論

本文基于對某型小型挖掘機多路閥研發驗證過程中出現的漏油問題，系統全面的對小型挖掘機多路閥的泄漏特性進行了研究，所得結論如下：

（1）小型挖掘機多路閥的外泄漏主要受裝配因素的影響：1）連接閥片的雙頭螺柱螺母的同步擰緊；2）端蓋、螺紋插裝閥和堵頭等裝配力矩；3）螺紋插裝閥和堵頭的O形圈裝配時需涂抹黃油。此外O形圈的硬度也是一個關鍵指標，低壓需選擇邵爾硬度70度。

（2）小型挖掘機多路閥的內泄漏主要受制造精度的影響：1）換向位內泄漏主要受密封面平面度的影響和閥孔圓柱度的影響；2）中位內泄漏主要受閥孔圓柱度的影響。

總之，片式多路閥的泄漏特性指標直接反映了一個企業的制造水平，無泄漏是其追求的目標，對許多國內多路閥制造企業來說需不斷提升工藝水平和管理水平。