高壓微型插裝式液壓電磁閥密封結構設計概述

馬建強 于延賓 洪洋

摘 要 密封結構的設計是微型液壓電磁閥的設計的難點，通過液壓電磁閥常用密封結構分析，設計了一種錐套型密封結構，該結構可使位于同個徑向平面的不同孔口同時實現徑向密封和軸向密封，采用該結構可使兩位三通閥的零件數減少55%，主要零件徑向尺寸減少37.5%，軸向尺寸減少40%。結合工作環境對錐套型密封結構提出了材料性能要求、表面質量要求和試驗要求，對液壓電磁閥的高壓化、微型化設計提供了重要參考。

關鍵詞 液壓電磁閥;微型;密封;試驗

引言

高壓微型插裝式液壓電磁閥集高壓化、微型化、插裝化于一體，可以獨立作為小型液壓系統的控制元件應用，也可以作為先導式電磁閥的先導級控制元件，用于控制下一級放大機構的動作，實現小通徑、小流量控制大通徑、大流量，廣泛應用于汽車、航空航天、核工業、智能裝備等領域。國外Moog、馬夸特、Marotta等公司對微型電磁閥的研發工作開展較早，相繼推出了一系列小型化部件， Lee、穆格、伊頓、派克等歐美企業的微小型液壓電磁閥處于國際壟斷地位，我國相關研究起步較晚，基本以從歐美進口為主，在航空航天、石油裝備等領域隨時面臨禁運風險，亟須自主研制保障我國經濟和國防安全[1-2]。本文將從密封結構的小型化進行設計分析，結合工作環境對材料、表面質量和驗證試驗方面提出要求。

1液壓電磁閥密常用密封結構分析

液壓電磁閥高壓化、微型化面臨的核心問題是電磁鐵和密封結構小型化。液壓電磁閥密封結構可采用“Ο”形密封圈、雙層組合密封圈、PTFE包覆“Ο”形圈等形式，結構特點分析如下。但無論采用何種結構形式的密封槽、密封圈都直接影響產品的結構尺寸、可靠性和耐久性。

1.1 “Ο”形密封圈

“Ο”形橡膠密封圈是截面形狀為圓形的環形橡膠密封件，其尺寸及材料性能符合GB/T 3452.1-2005《液壓、氣動用“Ο”形橡膠密封圈尺寸及公差》的要求，它是一種應用最廣泛的靜密封、往復運動及旋轉運動密封件，并具有結構簡單、安裝方便、密封性能好、應用范圍廣、安裝溝槽易于設計制造等優點 [3]。但“Ο”形密封圈也存在使用壽命短、高溫高壓密封性能差、最小尺寸受限等缺點。

1.2 雙層組合密封圈

雙層組合密封圈由內、外兩層組成，外層一般用PTFE或PTFE填充材料擋圈，內圈為“Ο”形密封圈。該密封圈為接觸面密封式，利用變形產生的反作用力提供密封所需接觸壓力，即溝槽設計使密封圈具有一定的過盈量，密封圈壓縮變形后產生回彈力，并傳遞到密封接觸面，形成預接觸應力，使密封圈壓緊缸筒內壁，實現密封[4]。該密封圈可用于軸類零件的動靜密封，具有耐磨、穩定、可靠、雙向承壓的優點。但也存在摩擦力大、低溫密封不良、安裝不便、尺寸受限等缺點，尤其是徑向尺寸的限制，使得小尺寸密封結構無法應用。

1.3 PTFE包覆“Ο”形密封圈

氟塑料包覆“Ο”形圈可用于替代傳統“Ο”形密封圈，適用于工作環境和要求更為苛刻的密封環境，它是在“Ο”形密封圈的表面噴涂、浸漬PTFE（聚四氟乙烯）薄膜而成，具有性能好、效率高、耐磨損、壽命長的特點[5]。氟塑料包覆“Ο”形圈利用聚四氟乙烯低摩擦系數和磨損系數，減少了密封件的磨損，提高了密封可靠性和使用壽命，多用于動密封，由于徑向、軸向尺寸限制，小型化應用受限。

2錐套型密封結構設計分析

用“Ο”形密封圈實現閥口間軸向密封，必須在零件的外徑或內徑上加工溝槽，以固定密封件，溝槽的尺寸取決于密封件;且如果壓力超過10MPa時，還要使用一至兩個擋圈來確保密封圈不會被擠出，這就進一步增加了溝槽尺寸。錐套型密封結構如圖1所示，其外部為圓柱形面，內部為錐形孔，徑向開有貫穿通孔，完成裝配后，可使同個軸向平面的不同孔口同時實現徑向密封和軸向密封。錐套型密封件擠壓嵌入后，接觸密封部位既有一定的強度、剛度，又有一定的擠壓變形，同時起到承壓和密封作用，有效減小了閥套尺寸，閥口布局更靈活。

如圖2、圖3為兩位三通閥錐套型密封結構與“Ο”形圈密封結構尺寸對比，其中進油P口通徑為Ф1，負載A口通徑為Ф1.2，回油R口通徑為Ф1.5。滿足相同流量、壓力要求時，采用錐套型密封結構的兩位三通閥，零件數減少55%，徑向尺寸由Ф12減少至Ф15.5，減少37.5%;軸向尺寸由20減少至11.8，減少40%。

3錐套型密封結構材料性能要求

高壓微型插裝式液壓電磁閥的工作環境為額定壓力35MPa、溫度-55℃～150℃，錐套型密封結構材料應滿足以下要求：

（1）具有良好的機械系性能，安裝時能密封且不會產生永久變形;

（2）應能承受耐壓壓力和爆破壓力;

（3）拉伸強度、壓縮強度應不低于115MPa;

（4）伸長率不大于7%;

（5）穩定使用的溫度范圍至少滿足-55℃～170℃;

（6）與工作液壓油介質具有良好的適應性，不應發生互溶、變質、變性、老化等。

4錐套型密封結構表面質量要求

密封結構的表面質量直接影響密封性，其外表面、內表面的表面質量應達到以下要求：

（1）錐套型密封結構外部圓柱形面與高壓微型插裝式液壓電磁閥插裝孔配合，實現軸向和徑向密封，其表面粗糙應優于0.8um;

（2）錐套型密封結構內部錐形孔與高壓微型插裝式液壓電磁閥的閥體配合，實現軸向和徑向密封，其表面粗糙應優于0.8um。

5錐套型密封結構試驗要求

根據高壓微型插裝式液壓電磁閥的工作環境，錐套型密封結構試驗應至少基于以下三方面考慮。第一，錐套型密封結構的內部泄漏是否達到設計要求;第二，錐套型密封結構是否會發生損傷或導致產品其他零件永久變形;第三，錐套型密封結構在高壓下是否有足夠的耐久性。因此，錐套型密封結構試驗至少包括以下試驗項目：

（1）常溫性能試驗：通過測試其內部泄漏量、開關動作響應時間等，驗證密封結構在安裝和膨脹時的變形量是否滿足使用要求;

（2）耐壓試驗：主要驗證其承受1.5倍額定工作壓力的密封性能;

（3）低溫試驗：主要驗證其在低溫-55℃的密封性能;

（4）高溫試驗：主要驗證其在高溫150℃的密封性能;

（5）溫度沖擊試驗：主要驗證其在高溫150℃和低溫-55℃反復沖擊下的密封性能;

（6） 壓力脈沖實驗：主要驗證其在高低壓循環交替變換時的耐壓性、密封性和耐久性。

（7）爆破試驗：主要驗證其在承受3倍額定壓力下，結構是否發生裂紋、斷裂、塑性擠壓變形或尺寸變化等;

（8）浸漬試驗：主要驗證其材料與工作介質的相容性。

6結束語

（1）采用錐套型密封結構的兩位三通閥，零件數減少55%，徑向尺寸減少37.5%，軸向尺寸減少40%;

（2）根據高壓微型插裝式電磁閥的工作環境，對錐套型密封結構材料提出了性能要求和表面質量要求;

（3）為確保錐套型密封結構的密封性、尺寸穩定性和耐久性，提出了錐套型密封結構試驗要求。

該密封結構設計對實現高壓插裝式液壓電磁閥結構的微型化意義重大，下階段還需要對錐套型密封結構做詳細設計和仿真分析，開展試驗驗證，并持續迭代優化，最終達到尺寸小、重量輕、可靠性高的目標。

參考文獻

[1] 張珂，葉飛，王程勇，等.微型電磁閥設計[J].液壓氣動與密封，2019 （9）：81-82.

[2] 林濤，武蔥蘢，孫守黑.微型高壓電磁閥的設計及應用[J].航天控制，2004（10）：93-96.

[3] 蔡祖光.“Ο”形橡膠密封圈及其應用[J].磚瓦世界，2019（11）：39-49.

[4] 嚴桃平，趙迎生，包海濤.新型組合密封圈的密封機理及其應用[J].機床與液壓，2003（1）：2.

[5] 黃國冠.氟塑料包覆硅橡膠“O”形密封圈的性能表征及應用研究[D].上海：華東理工大學，2017.

作者簡介

馬建強（1981-），男，山東青州人;學歷：碩士，職稱：高級工程師，現就職單位：臺州科技職業學院，研究方向：航空液壓系統及部件研究與教學。