液压源低压安全阀密封失效分析及改进措施.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 0 1期 液压源低压安全 阀密封失效分析及改进措施 孙永 生 ， 刘 晓静 ， 王德志 ， 宋振坤 ， 张红超 1 ． 北京精密机 电控制设备研究所 ， 北京 1 0 0 0 7 6 ； 2 ． 北京中科航天人才服务有限公司， 北京1 0 0 0 4 8 摘要 预研伺服液压源在进行低压安全阀可靠性试 验时发现 压力腔加压 到一定程度时 ， 部分安全 阀不能及时按照设计预定 开启 ， 部 分不能达到设定泄流量 ， 并存 在漏油现象 。 为此 ， 对低压安全 阀进行故障清查 与分析 ， 最终确定 了改进 阀体结构和优化加工 工艺方法 的 研 究方 向。 关键词 低压安全阀 ； 密封失效 ； 结构改进 ； 优化工艺 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 1 0 0 7 8 0 3 Hyd r a u l i c S o ur c e Lo w Pr e s s ur e Re l i e f Va l ve S e a l F a i l u r e An a l y s i s a nd I mp r o ve me n t M e a s u r e s S U N Y o n g - s h e n s ， L I U X i a o - j i n g z , W AN G D e - z h i ， S O NG Z h e n - k u n ， Z H AN G H o n g - c h a o 1 ． B e i j i n g I n s t i t u t e o f P r e c i s i o n Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l C o n t r o l E q u i p m e n t ， B e i j i n g 1 0 0 0 7 6 ， C h i n a ； 2 ． B e i j i n g Z h o n g k e S p a c e T a l e n t S e r v i c e C o ． ，L t d ． ，B e i j i n g 1 0 0 0 4 8 ， C h i n a Ab s t r a c t S o me p r e r e s e a r c h t y p e s e r v o h y d r a u l i c s o u r c e i n t h e l o w p r e s s u r e r e l i e f v alv e s e n s i t i v i t y t e s t f o u n d t h a t p r e s s u r e c a v i t y p r e s s u r e t o a c e r t a i n e x t e n t ， p a rt o f t h e r e l i e f v a l v e i s n o t i n a c c o r d a n c e w i t h t h e d e s i g n i s s c h e d u l e d t o o p e n i n t i me ， p a rt c a n n o t a c h i e v e s e t d i s c h a r g e ，a n d t h e r e i s o i l l e a k a g e ．T h e r e f o r e ， a n a n a l y s i s o f t h e f a u l t i n v e n t o r y a n d l o w p r e s s u r e r e l i e f v alv e ， e v e n t u all y d e t e r mi n e t h e i mp r o v e d b o d y s t r u c t u r e a n d t h e r e s e arc h d i r e c t i o n o f o p t i mi z i n g p r o c e s s i n g me t h o d ． Ke y wo r d s l o w p r e s s u r e s a f e t y v a l v e ； s e a l f a i l u r e ； s t ruc t u r e i mp r o v e me n t ； p r o c e s s o p t i mi z a t i o n 0 引言 某预研伺 服液压源 的低压安全阀在进行灵敏度试 验时存在约 3 0 ％的安全阀不能按照设计要求正常进入 工作状态 ， 并且 出现渗漏油的问题 ， 严重影响相关组件 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 1 6 作者简介 孙永 1 9 5 7 一 ， 男， 宁夏中卫人， 高工， 双学士， 研究方向为 液压 传动与控制 。 ● 一一 _ 2 正常情况下 ， 伺 服阀开 口度应在在 “ 0 ” 位 附近 波动 ， 根据实际经验 ， 其范围应在 5 ％左右 ， 当伺服 阀开 口度大于 1 0 ％就应该引起关注和警觉 3 零位泄漏对 H G C控制精度 的影响与伺服阀的 工作模式有关 主阀的零位泄漏 ． 开 口度给定值基本不 随负载变化 ； 辅 阀的零位泄漏较大时． 主开 口度 随负载 增大而增大。在实际应用 中应观察各种模式下 的精度 变化 。 做到心 中有数。 参考 文 献 [ 1 】 石 红， 王科 俊 ， 等． 液压设备 故障诊断技术的研究[ J 1 ． 液压 与气 动 ， 2 0 0 2 ， 2 ． 『 2 1 姜 海军 ， 韩三峰 ， 等． 关 于 中厚 板轧机 H A G C 常见故 障排 除 方法的优化『 J ] ． 南方金属 ， 2 0 1 l ， 2 ． 78 的装调 ． 进而影响整体液压源的可靠性验证 通过对低 压安全阀进行故障查找与分析 ， 最终确定 阀体的结构 设计 缺陷及加 工质量 问题是本次故 障产生 的根本原 因。因此 ， 对 阀体结构进行改进 ， 并通过优化的机加工 艺方法确保安全阀的使用可靠性。 1 问题 描述 低压安全 阀的装 配结构及 泄漏油部位 ， 如 图 1 所示 。 - - - * 一 卜 - 一一 - ● 一一 - - - 一 - 一 [ 3 1 张鹏 ， 沈卫 民 ， 等 ． 轧 机液压 A G C系统液 压故障分析 与对 策 l J 1 ． 液压与气动 ， 2 0 1 1 ， 5 ． [ 4 】 庞锐 ． 宽厚板 轧机 A G C油 缸故障分 析及改造 I J 】 ． 轧钢 ， 2 0 1 2 ， 2 ． [ 5 】 张久军_ 车 L 机液压压下故障分析[ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 8 ， 8 ． [ 6 】 李 旺太 ． 轧 机 A G C控 制系 统故 障 分析 和处 理 [ J ] ． 铝 加 工 ， 2 0 1 0 ， f 2 ． 【 7 ] 苏 显． 案 例推理在 轧机故 障诊断 系统 的研 究Ⅱ 】 ． 机械管 理开 发 ， 2 0 0 8 ， 3 ． [ 8 ] 路 甬祥． 液压起动技术手册【 M】 ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 9 】 时培成， 王幼民． 液压油液数字建模与仿真[ J ] ． 农业机械学报 ， 2 0 0 7 ， 1 2 ． [ 1 0 ]李永堂 ， 雷步芳 ， 等 ． 液 压系统 建模 与仿真[ M】 ． 北 京 冶金 T 业出版社 ． 2 0 0 3 ． Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， N O ． O 1 ． 2 01 4 设计要求 当箱体低压孔压力升至 1 ． 5 MP a时 。 安 全 阀开启 ； 当压力升至 2 MP a时 ， 泄流量 I0 ． 9 L ／ m i n ； 当 压力降至≤1 ． 2 MP a时． 安全阀应关 闭。 实 际试验 过程 当箱体低压 孔压力升 至 1 ． 5 MP a 时 。 6 0 ％的安全阀开启 升压至 2 MP a过程 中， 安全 阀陆 续开启 ． 并在安全 阀阀体与箱体相接处 、 与排油管组件 相接处随机 出现连续点滴至线状泄漏油现象 从排油 管组件流出量为 ≤0 ． 6 5 L ／ mi n 安全阀在开启试验 中合 格产品与严重泄漏油产品曲线分析对比见图 2所示 安全阀开启方向 裁 j扯 曩 最 箱 图 1 低 压 安全 阀装 配 结 构 及 泄 漏 油 示 意 图 合格品 ／ ， ／ ／ ， ， 。 ， ／ 不合格品 U l l 7 箱体低压孔压力／MP a 图 2开启试验过程中合格品与不合格品对比 2 故障清查与分析 2 ． 1 故障清查 将低压安全阀拆卸 、 分解 、 清理后对 比发现 ， 出现 泄漏油和不能正常开启 的安全阀存在以下故障点 ． 如 图 3所示 。 ．． 毛刺残留处 径 向划伤毛刺残留处 f I I I l l J ， 一I Il I s ＼， 喜 。 。 4 5 图 3阀体 故 障 点 示 震 图 1 密封圈出现不 同程度的划伤 ； 2 阀体两端螺纹倒角处残存毛刺 3 阀体安装密封圈端面处存在不同程度 的不规 则径向划伤 2 ． 2 产 生 故 障原 因 1 由于受空 间、 重量 限制 ， 依据“ 结 构简单 、 降低 加工难度” 的设计原则 ． 此低压安全阀采用螺纹空刀槽 兼做密封槽的结构 2 车削螺纹过程中 。 使螺纹始末端与两端倒角形 成近似尖边及毛刺 。 并未完全清除。 2 ． 3故 障分 析 1 0形圈是靠机械压紧力或介质压力的 自紧作用 下产生弹塑性变形而堵塞流体泄漏通道的 0形圈的压缩率及与密封面的接触面积大小．是影 响密封效果 的重要因素。 压缩率大 ． 可使 0形圈与密封面 间的接触面积增大 ． 但压缩率过大时． 还可以导致 0形圈 永久变形 ， 从而导致密封失效； 压缩率小 。 使 0形圈与密 封面间接触面积小 ． 降低密封效果， 甚至导致密封失效。 无系统压力 时， 0形 圈受 A、 B面对其产生的初始 压应力 ． 产生一定程度弹塑性变形 ， 与 A、 B密封面间形 成初始接触面。如图 4 a 所示。 系统压力产生时 ． 压力油经挤出间隙流入密封槽 ． 对密封圈产生轴 向应力 ． 使 0形圈弹塑性变形增大 ． 同 时与 A、 B、 C面产生挤压接触面 ， 增大接触面积 ， 增强密 封 效 果 如 图 4 b所 示 本产品结构为螺纹退刀槽兼做密封槽 ．压力油不 仅从挤 出间隙． 而且会通过螺纹间隙进入退刀槽 ． 对 0 形 圈不仅会产生轴向力 ． 还会产生径向力 由于螺纹退 刀槽 比独立密封槽 空间大 ． O形圈相应 的移动空 间增 大。因此 ． 0形圈会增加与 A面的接触 面积 。 却减小或 脱离与 B、 C面的接触 ， 进而减小密封效果 ， 最终导致密 封失效 如图 4 c所示 。 通过挤出间隙的油压 a o形圈受初始机械力 b o形圈在独立密封槽内受力 A 间隙的油压对 生相应径向力 c 0 彤 圈在 螺纹空 刀相 内受 力情 况 图 4 0 形 圈受 力 状 态 2 虽然使用专用工具安装密封圈 。 可以尽量避免 密封圈受入 口及螺纹上残留毛刺的破坏 ．但在滑入密 封槽 的过程中很容易被螺纹末端倒角处尖边及残存毛 刺划伤破坏 3 密封端 面存在径 向划伤 ， 使密封圈与密封端面 不能充分贴合严密 。 进而导致压力油沿划伤溢 出。 3 改进措施 3 ． 1 结构 改进 螺纹空刀槽兼做密封槽虽然结构简单 、 加工方便 ， 7 9 i - I I I Ⅲ． 1 ／ 删壤 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 4年 第 01期 但引起密封失效的因素多 、 密封效果差 、 降低产品可靠 性 因此 。 需对安全 阀密封结构进行改进 ， 增加独立完 整的密封槽 ．从结构设计上提高安全阀的可靠性与灵 敏度。 在低压安全阀整体长度尺寸受限条件下 ．在核算 螺纹强度 、 连接强度允许的情况下 。 将原粗牙螺纹改为 细牙螺纹 M1 2 - * M1 2 x l 。 M1 4 - - M1 4 x 1 ， 以此缩短螺纹 长度 ， 为增加独立密封槽 留出空 间； 同时 ， 根据迷宫密 封原理 ， 细牙螺纹 比粗牙螺纹具有更好 的螺纹密封性 。 方案一 在螺纹末端增加独立的密封槽 。如 图 5 a 所示 。 方案二 在螺纹末端增加独立 的密封槽。如图 5 b 所示 独立密封槽独立密封槽 独 一 a 密封槽位于螺纹末端 b 密封槽位于螺纹始端 图 5密封槽改进方案 方案一与方案二综合 比对结果见表 1 表 1 方案 一与方案二对比 结合表 1 分析 ．最终确定低压安全 阀密封结构改 为 与液压源箱体相接端采取螺纹始端独立密封 ， 与排 油管组件相接端采取螺纹末端独立密封。此外 ， 严格要 求密封槽处所有棱边倒钝锐边 R 0 ． 3并抛光。结构改 进后 的低压安全阀阀体示意图见图 6 。 图 6结构 改进后 阀体示意 图 3 ． 2优 化加 工工 艺 杜绝残存毛刺、 划伤的质量 问题发生 ． 是使产品能 够满足设计要求的基础 。通过对产品在装配过程中可 8 0 能对密封圈造成的风险因素梳理 见 图 7 ， 针对改进后 的结构 ， 进行了相应 的加工工艺优化 。 装配时对密封圈产生切应力 图 7装 配过 程 中密 封 圈 潜在 风 险 因素 1 阀体 的密封槽 、 密封槽周边的倒钝 圆角并抛光 由车工一次加工成型 。 不会造成毛刺产生 ． 可以避免加 工缺陷的产生 2 同理 ， 排油管组件密封孔及其与端面相交棱边 倒钝 R 0 ． 5并抛光亦由车工一次加工成型 由图 7可见 ． 虽然在阀体旋入排油管组件 时 ． R O ． 5棱边对密封圈有 切应力 ， 但属于光滑过渡。 不会对密封圈产生破坏 。 3 由图 7可见 ， 阀体旋人箱体 的过程 中， 密封圈 将受到箱体内密封孔与螺纹孑 L 相接处棱边的剪切力 由于受箱体外形限制 ．此处密封孔及螺纹只能 由 数铣按着加 工密封孔 加工螺纹底孑 L 加工螺纹一 去 密封 孔与螺纹相交处 毛刺并倒钝 的工艺顺 序加工 而 成 。 由于相交棱边距端面有一定 的距离 ． 手动使用刮刀 去毛刺倒钝 ， 不但有毛刺 、 锐边残留的可能性 ， 而且很 容易划伤密封孑 L ， 进而有形成多余物 、 密封失效的潜在 风 险。 针对此情况 ． 对原工艺方法进行优化 ． 设计刀具一 体化 。通过使用专用刀具 ， 将密封孔 、 螺纹底孔及相接 处倒钝 圆滑一次加工成型 ． 避免安全隐患的产生 。 4小 结 通过对产 生问题 的低压安全 阀进行 故障分析 ． 查 出故障点 ， 从而进行结构改进 、 优化加工工艺方法 ． 最 终使产品能够满足使用要求 并且为此类型产品的结 构设计及生产提供了可借鉴的参考意见及方法 参 考 文 献 【 1 ] 王文斌 ， 等． 机械设计手册[ M ] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 】 孟 少农 ， 等． 机 械加工 工艺手册[ M】 ． 北京 机 械工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 3 】 张绍九 ， 等． 液压密封【 M 】 ． 北京 化学_ T 业 出版社 ， 2 0 1 2 ． 】 G B ／ T 3 4 5 2 ． 3 2 0 0 5 ， 液压 气动用 0形橡 胶密 封圈 沟槽尺 寸 【 S ] ． 【 5 】 G B ／ T 1 2 2 4 2 2 0 0 5 ， 安全阀密封性能试验方法【 S 】 ．