摘要：
在工程機(jī)械主機(jī)液壓系統(tǒng)中,液壓管接頭及連接油口的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)的密封可靠性,尤其是整個(gè)主機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要,如設(shè)計(jì)選用不當(dāng),會(huì)造成管路泄漏以及污染環(huán)境?；诠芙宇^的選擇主要是根據(jù)主機(jī)油口結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求,從液壓密封裝置的要求、密封件的主要基礎(chǔ)材料、常用液壓系統(tǒng)油口的類型、管接頭及油口端選擇進(jìn)行了系統(tǒng)闡述,并總結(jié)出了液壓系統(tǒng)中不同形式油口的密封結(jié)構(gòu)以及連接管接頭的選擇原理。
引言
密封裝置是保證液壓與氣壓系統(tǒng)正常工作的基本也是重要的裝置,主要用來防止液體或氣體的泄漏。良好的密封是液壓系統(tǒng)能夠傳遞動(dòng)力、正常工作的保證。如果密封不好,將會(huì)造成系統(tǒng)和元件的泄漏加大,使系統(tǒng)壓力和容積效率降低,造成能量的損失,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的油液外泄污染環(huán)境,因此正確地設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的連接管接頭及油口的密封形式非常重要。
1液壓系統(tǒng)密封裝置的要求
(1)具有良好的密封性,即有適宜的彈性,能補(bǔ)償所密封表面在制造上的誤差與工作中的磨損,并隨著壓力的增大自動(dòng)地提高密封程度;
(2)具有良好的穩(wěn)定性,即油液浸泡對(duì)其形狀尺寸的變化影響要小,溫度對(duì)其彈性和硬度的變化影響也要小;
(3)摩擦力小,運(yùn)動(dòng)靈活,工作壽命長(zhǎng);
(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造、使用、維修簡(jiǎn)便。
2密封件主要基礎(chǔ)材料
常用的液壓系統(tǒng)密封材料有以下幾種
(1) ding腈橡膠nbr耐油橡膠,具有良好的彈性與耐磨性,工作溫度一般為-20~100℃,有一定的強(qiáng)度,摩擦系數(shù)較大。適用范圍:液壓油、脂肪油、碳?xì)浠衔餄?rùn)滑油、動(dòng)植油、水、丁烷、壓縮氣體等;
(2)氟橡膠fkm耐高溫,耐油橡膠,工作溫度一般為-15~240℃,有一定的強(qiáng)度,摩擦系數(shù)較大。適用范圍:油料、臭氧、惡劣天氣、液壓流體、化學(xué)溶劑、不易燃的油料和化學(xué)產(chǎn)品等;
(3)硅橡膠vmq耐高、低溫且抗酸和弱堿腐蝕,絕緣性能良好的橡膠,工作溫度一般為-60~250℃。適用范圍:低溫或高溫、惰性氣體、酸和弱堿、臭氧。
3常用液壓管接頭密封油口的類型
在工程機(jī)械主機(jī)產(chǎn)品的液壓系統(tǒng)中常見的與管接頭相配合的油口有以下幾種類型:
3.1公制、美制及英制螺紋柱端帶锪孔溝槽的o形圈密封15°內(nèi)倒角油口結(jié)構(gòu)
15°內(nèi)倒角油口類型在液壓管路中的泵(執(zhí)行元件)、馬達(dá)(動(dòng)力裝置)的進(jìn)出油口的設(shè)計(jì)方案中比較常用如圖1所示,其螺紋形式由泵、馬達(dá)的生產(chǎn)廠商根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn),公制螺紋(iso 6149-1標(biāo)準(zhǔn))、美制統(tǒng)一螺紋(iso 11926-1標(biāo)準(zhǔn))、英制管螺紋(jisb2351標(biāo)準(zhǔn))連接,密封形式是采用o形圈密封。
圖1 15°內(nèi)倒角油口
3.2公制、英制螺紋柱端彈性密封圈或金屬對(duì)金屬密封的平油口結(jié)構(gòu)
這種油口在液壓管路中的閥、合流塊、泵等靜密封的進(jìn)出油口的設(shè)計(jì)方案中常用,如圖2所示。其加工過程相對(duì)15°內(nèi)倒角油口比較簡(jiǎn)便,只是加工完內(nèi)螺紋后,再對(duì)油口锪平一個(gè)淺沉確保管接頭與油口密封面之間的垂直度要求,使管接頭和ed墊圈與油口的锪平面*貼合,形成密封,減少連接面的滲漏。
平油口的螺紋形式生產(chǎn)廠商根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn),有公制螺紋(gb/t 19674.1標(biāo)準(zhǔn))、英制管螺紋(iso1179-1標(biāo)準(zhǔn))連接,密封形式是采用ed彈性密封圈密封,或用管接頭與油口之間的尖角密封。
圖2平油口
3.3英制錐管螺紋密封、美制npt錐管螺紋油口結(jié)構(gòu)
(1)英制55°牙型角錐管螺紋密封油口結(jié)構(gòu):也稱用螺紋密封的油口,如圖3所示。這種螺紋極限尺寸及公差符合gb/t7306規(guī)定,與管接頭連接時(shí)不需加填料或使用密封介質(zhì)就能防止?jié)B漏,其中圓錐內(nèi)螺紋油和圓錐外螺紋接頭連接可在高溫及高壓下采用;
(2)美制60°牙型角錐管螺紋npt密封油口結(jié)構(gòu):如圖3所示,極限尺寸及公差符合gb/t12716規(guī)定,其主要用于燃油和潤(rùn)滑油管路接頭的油口,同時(shí)也適于高溫、高壓系統(tǒng)。
圖3管螺紋油口
4液壓系統(tǒng)密封的管接頭及油口端選擇
4.1外螺紋接頭配合o形圈密封
外螺紋接頭配合o形圈密封形式,如圖4所示。o形圈裝入液壓管接頭體后,通過裝配旋入油口15°內(nèi)倒角受到壓縮后變形,適用選擇的油口如圖1所示,在設(shè)計(jì)此o形圈密封的接頭與油口時(shí),表面锪平沉孔、內(nèi)倒角尺寸及螺紋深度的連接配合至關(guān)重要。
1)油口平面沉孔及15°內(nèi)倒角配合要點(diǎn)
(1)油口沉孔直徑:d2≥d7+2.2,且d7>d5
(2)油口沉孔深度:l3≤l5-0.5
表1 15°內(nèi)倒角尺寸及配合要點(diǎn)
圖4外螺紋配合o形圈密封
2) 15°內(nèi)倒角與接頭配合要點(diǎn)
15°內(nèi)倒角的直徑一般小于管接頭圓臺(tái)直徑,深度一般與螺距有關(guān),見表1。
3)螺紋深度配合要點(diǎn)
(1)油口內(nèi)螺紋攻深:l4≥l6+0.5
(2)油口加工孔鉆深:l2≥l4min+(1.5~2)p
p———螺距
d1———螺紋直徑規(guī)格
d2———油口锪平沉孔直徑
d5———油口15°內(nèi)倒角的直徑
d6———與油口配合的管接頭圓臺(tái)直徑
l2———油口螺紋孔鉆深
l3———油口锪平沉孔深度
l4———油口內(nèi)螺紋攻深
l5———與油口配合的管接頭六方下端面至圓臺(tái)端面長(zhǎng)度
l6———與油口配合的管接頭圓臺(tái)下端面至外螺紋端面長(zhǎng)度
4.2外螺紋配合ed密封
外螺紋配合ed密封形式如圖5所示,ed彈性密封圈是被廣泛應(yīng)用于液壓系統(tǒng)的油口密封形式,簡(jiǎn)易的外形使其得以快速方便地安裝,與o形圈不同的是ed彈性密封圈不會(huì)在溝槽中扭曲變形。適用油口如圖2所示:在設(shè)計(jì)此ed密封的過渡接頭與油口密封時(shí),表面锪平沉孔及螺紋深度的連接配合尺寸至關(guān)重要。
圖5外螺紋配合ed密封
1)油口平面沉孔配合要點(diǎn)
(1)油口沉孔直徑:d4≥d7+1.1
(2)油口沉孔深度:l1l5min-0.5
2)螺紋深度配合要點(diǎn)
(1)油口內(nèi)螺紋攻深:l2≥l6
(2)油口加工孔鉆深:l13≥l2min+2p
d4———油口锪平沉孔直徑
d7———與油口配合的管接頭圓臺(tái)直徑
l1———油口锪平沉孔深度
l2———油口內(nèi)螺紋攻深
l13———油口螺紋孔鉆深
4.3法蘭面帶o形圈溝槽的密封
一般o形密封原理如圖6所示,o形圈裝入密封槽后,其截面受到壓縮后變形。在無壓力時(shí),靠o形圈的彈性對(duì)接觸面產(chǎn)生預(yù)接觸壓力,實(shí)現(xiàn)初始密封,當(dāng)密封腔充入有壓工作介質(zhì)后;在壓力的作用下,o形圈被擠向溝槽的一側(cè),密封面上的接觸壓力上升,提高了密封效果。在動(dòng)密封中,當(dāng)壓力大于10mpa時(shí),o形圈就會(huì)被擠入間隙中而損壞,為此有時(shí)需要在o形圈低壓測(cè)設(shè)置四氟乙烯或尼龍制成的擋圈,如圖7所示,其厚度為1.25~2.5mm。雙向受高壓時(shí),兩側(cè)都要加擋圈,且一般在活塞靜密封中運(yùn)用較多,而法蘭是端面密封,不需加擋圈。
圖6 o形圈密封原理
圖7 o形圈密封擋圈設(shè)置
1)法蘭面配合o形圈密封原理
這種密封是用分離式法蘭片和螺栓進(jìn)行壓緊實(shí)現(xiàn)軸向密封,其密封件o形圈是受介質(zhì)壓力后,實(shí)現(xiàn)徑向變形,如圖8所示。在實(shí)現(xiàn)密封時(shí),根據(jù)系統(tǒng)介質(zhì)所產(chǎn)生壓力方向的不同,有受軸向內(nèi)部和外部壓力之分,此類密封在工程機(jī)械中大多數(shù)是在液壓系統(tǒng)中的液壓泵、馬達(dá)的進(jìn)回油口的軸向密封形式中采用。
圖8法蘭面帶o形圈溝槽的密封
2)法蘭面o形圈溝槽的設(shè)計(jì)
法蘭面密封形式中o形圈在安裝時(shí),必須保證適當(dāng)?shù)念A(yù)壓縮量,過小不能密封,過大則摩擦力增大,且易于損壞。因此,安裝o形圈的溝槽的尺寸設(shè)計(jì)和表面精度需按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和手冊(cè)給出的數(shù)據(jù)嚴(yán)格保證。
(1)軸向密封(受內(nèi)部壓力),壓力從內(nèi)測(cè):o形圈外徑壓縮,如圖9的設(shè)計(jì)一般是以d9尺寸為作為選配o形圈的定位尺寸,其法蘭溝槽外徑d9基本尺寸可按下式規(guī)定:
圖9軸向受內(nèi)部壓力的溝槽
式中, d9———軸向密封的溝槽外徑(受內(nèi)部壓力)
d10———o形圈內(nèi)徑
d11———o形圈截面直徑
d9值一般根據(jù)o形圈截面尺寸的不同其相對(duì)于所選o形圈外徑的壓縮過盈量一般為0.2~1.1mm。
(2)軸向密封(受外部壓力)壓力從外測(cè):o形圈內(nèi)徑壓縮,見圖10的設(shè)計(jì)一般是以d12尺寸作為選配o形圈的定位尺寸,其法蘭溝槽外徑d12基本尺寸可按下式規(guī)定:
圖10軸向受外部壓力的溝槽
式中, d12———軸向密封的溝槽內(nèi)徑(受外部壓力)
d12值一般根據(jù)o形圈截面尺寸的不同,其相對(duì)于所選o形圈內(nèi)徑的拉伸過盈量為0.2~1mm。
(3)軸向密溝槽寬度b應(yīng)當(dāng)比變形后o形圈截面尺寸要大,一般以其材料體積溶脹值為15%來計(jì)算,深度h一般以o形圈截面壓縮率數(shù)值來確定,其極限值及對(duì)應(yīng)的壓縮率η變化范圍如表2、圖11所示。
(4)軸向密溝槽寬度h的計(jì)算
軸向密溝槽寬度h一般根據(jù)o形圈受擠壓后的大和小壓縮率圖11來計(jì)算,具體可按下公式:
表2軸向密封溝槽寬度、深度的極限值及對(duì)應(yīng)的o形圈壓縮率
圖11軸向密封o形圈小、大壓縮率
5結(jié)論
液壓管接頭的密封及油口的設(shè)計(jì)對(duì)整機(jī)的液壓系統(tǒng)至關(guān)重要。在設(shè)計(jì)過程中,首先要了解不同主機(jī)產(chǎn)品在工作時(shí)的作業(yè)工況,其次根據(jù)系統(tǒng)所要求的密封狀態(tài)來確定管接頭與油口連接處是動(dòng)密封還是靜密封,且要充分考慮密封裝置的要求,根據(jù)油液介質(zhì)性質(zhì)和工作溫度選擇符合條件的密封件,以及選擇、設(shè)計(jì)相匹配的油口連接形式,其中油口與接頭配合面的尺寸是設(shè)計(jì)主要關(guān)鍵點(diǎn)。