高水基高压大流量安全阀密封失效分析.pdf
2015 年 11 月 第 43 卷 第 22 期 机床与液压 MACHINE TOOL & HYDRAULICS Nov 2015 Vol 43 No 22 DOI10.3969/ j issn 1001-3881 2015 22 028 收稿日期 2014-10-13 作者简介 郭冰菁 (1973), 女, 硕士, 副教授, 主要从事流体传动与控制研究。 通信作者 申欢欢, E-mail 1183053298@ qq com。 高水基高压大流量安全阀密封失效分析 郭冰菁1, 申欢欢1, 李阁强1, 聂辰鹏1, 吴晓路2 (1 河南科技大学机电工程学院, 河南洛阳 471003; 2 济宁职业技术学院机电工程系, 山东济宁 272037) 摘要 高水基高压大流量安全阀是液压支架的关键元件之一, 其密封性能直接影响到液压支架的工作性能。 针对高压 大流量差动式安全阀, 基于 ANIDA 有限元软件, 分析密封材料特性和选择组合密封的必要性。 并在高压大流量的工况下, 确定了该安全阀组合式密封合适的预压缩量, 为安全阀的泄漏控制提供技术支持。 关键词 高水基高压大流量安全阀; 密封材料; 组合密封; 预压缩量 中图分类号 TD4 文献标志码 A 文章编号 1001-3881 (2015) 22-084-4 Sealing Failure Analysis for the High Water⁃based and High Pressure Large Flow Safety Valve GUO Bingjing1, SHEN Huanhuan1, LI Geqiang1, NIE Chenpeng1, WU Xiaolu2 (1 School of Mechatronics Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang Henan 471003, China; 2 Department of Mechanical and Electrical Engineering, Jining Polytechnic, Jining Shandong 272037, China) Abstract The high water⁃based and high pressure large flow safety valve is one of the key components of hydraulic support sys⁃ tem. Its sealing performance directly affects the working performance of hydraulic support. Specific tothe high pressure and large flow rate differential type safety valve and based on ADINA, the sealing material characteristics and the necessity of the selection of com⁃ bined sealingwere analyzed. Moreover, under high pressure and large flow conditions, the suitable pre⁃compression of this safety valve combined sealing components was determined. It provides technical supports for leakage controlling to safety valve. Keywords High water⁃based and high pressure large flow safety valve; Seal material; Combined seal; Pre⁃compression value 随着液压支架向大工作阻力和大采高方向发展, 支架液压系统的工况参数逐渐增大, 在此极端工况 下, 高压大流量安全阀的作用尤为重要。 液压支架的 安全阀主要用于保证支架具有可缩性和恒阻性[1]。 安 全阀在正常工况下长时间不开启或经长时间间隔偶尔 开启, 立柱在弹性伸缩状态下工作, 这种状态下安全 阀始终关闭或小流量启溢闭, 安全阀需要具有良好密 封性能, 此时密封形式为静密封。 在冲击地压顶板、 坚硬难冒顶板等工况下, 安全阀较频繁地间断开启, 大流量启溢闭, 体现了支架的恒阻性, 此时为往复密 封形式。 在这两种工况下, 一旦安全阀的密封失效, 液压支架的支撑作用就会受到影响, 直接导致液压支 架的支护作用丧失, 影响工作环境安全。 由此可见, 研究高水基高压大流量安全阀的密封 失效问题具有较高技术经济价值。 文中根据 4 500 L/ min高水基安全阀的结构, 运用有限元软件 ADINA 进行仿真, 对此类安全阀密封形式的选择以及密封特 性进行分析。 1 高压大流量差动式安全阀结构 高水基安全阀的结构如图 1 所示。 该安全阀为差 动式, 采用平衡腔结构, 额定流量为 4 500 L/ min。 主要组成部分有阀芯、 阀座、 阀套、 平衡腔。 这种结 构的安全阀在高压大流量工况下具有工艺性好、 卸载 灵敏度高的特点。 阀芯与阀体、 阀套之间的接触面安 装有密封装置, 并以接触式密封的形式将其压缩安装 在密封沟槽中, 利用弹性体本身的弹性补偿特性, 使 其始终紧压密封面从而进行密封[2]。 对于高水基高压大流量安全阀所采用的接触式密 封, 为保证密封副具有长久的使用寿命与良好的密封 性能, 必须选择合理的接触密封比压。 不同的工况条 件下, 最佳接触密封比压是不相同的。 合理地选择密 封形式、 确定密封预压缩量, 对于控制安全阀的泄漏 具有十分重要的意义。 因此, 文中通过运用有限元 软件 ANIDA 仿真分析选择组合密封的必要性和在高 压大流量的工况下, 确定该安全阀组合式密封预压缩 量和最佳接触密封比压。 图 1 安全阀结构图 2 密封材料及结构确定 密封性是检验液压支架用高水基高压大流量安全 阀品质的重要指标[3]。 由于此安全阀工作压力高及高 水基介质的特殊性, 导致安全阀的密封失效经常发 生。 从该安全阀密封结构可知, 安全阀开启时, 阀芯 在液动力的作用下往复过密封圈, 阀芯上沿圆周方向 分布的小孔对密封圈进行刮擦, 为预防密封圈被小孔 划伤, 需减小阀芯圆周上的小孔直径, 并增大密封圈 与阀芯之间预压缩量, 因此, 这种密封结构首先导致 卸荷量小; 其次往复运动中产生的摩擦力非常大、 发 热量高而加速损坏, 导致密封圈过早失效, 产生泄漏 现象。 2 1 密封材料的选择 由于安全阀体积较小, 所以在密封件的选择上以 O 型圈最为合适。 近年材料学的发展, 使 O 型圈的 材料更加丰富, 常见有 聚四氟乙烯、 聚氨酯、 橡胶 等[4]。 考虑支架用高压大流量安全阀的快速卸荷及严 格密封性的双重要求, 为确定密封圈材料, 文中分别 对聚四氟乙烯、 聚氨酯两种材料的特性进行了仿真分 析。 在 ADINA 中采用 Mooney⁃Rivlin 材料[5]模型建立 仿真模型, 见图 2。 选取 O 型圈直径 25 mm, O 型圈 横截面直径 3 mm, 压缩量为 20%。 图 2 压缩量 20%时 O 型圈模型 选择聚四氟乙烯和聚氨酯两种材料进行仿真, 聚 氨酯橡胶的设置参数在 ADINA 软件中直接调用。 由 实验测得聚四氟乙烯的压力和压缩量之间的关系曲线 如图 3 所示, 仿真参数按照实验曲线设置。 在压缩量 为 20%时 2 种材料的受力仿真如图 4 (a)、(b) 所示。 图 3 聚四氟乙烯压力与压缩量之间的实验曲线 从图 4 中可看出, 在压缩量为 20%时, 聚四氟乙 烯 O 型圈径向承受的压力为 0 48 MPa, 而聚氨酯 O 型圈径向承受的压力为 0 009 MPa。 聚四氟乙烯比聚 氨酯的硬度大, 所以在相同压缩量下, 聚四氟乙烯 O 型圈所受的压力比聚氨酯 O 型圈的大, 仿真结果与 实际结果一致。 聚氨酯过软, 容易变形, 而聚四氟乙烯过硬, 使 得压力过大, 影响阀的正常开启, 单独使用这两种 O 型圈进行密封都不合适。 但是聚氨酯硬度低, 能很好 地提供预紧力; 聚四氟乙烯硬度高, 耐磨, 能很好地 与接触面进行接触[6]。 最终确定在此安全阀中采用由 聚氨酯 O 型圈和低摩擦因数 (聚四氟乙烯) 的滑环 组成的组合密封。 其接触应力由聚氨酯 O 型圈提供, 由于聚四氟乙烯滑环弹性差, 变形相对较小, 因此预 紧力主要来自 O 型圈。 与单独使用 O 型橡胶密封圈 相比有以下优点(1) 摩擦力小, 动作灵活;(2) 密封可靠, 寿命长;(3) 可以加大阀芯小孔直径, 提高安全阀的卸载能力。 密封副的弹性与耐磨性之间有一定的矛盾, 因此 采用聚四氟乙烯环作为支撑及主摩擦副, 提高密封 寿命。 58第 22 期郭冰菁 等 高水基高压大流量安全阀密封失效分析 图 4 不同材料 O 型圈受力仿真 3 组合密封预压缩量的确定 由以上分析可知, 安全阀阀芯与阀体、 阀芯与阀 套之间的接触面采用聚四氟乙烯密封圈和聚氨酯 O 型圈的组合式密封, 如图 5 所示, 聚四氟乙烯密封圈 与阀套表面接触, 聚氨酯橡胶 O 型圈在安装过程中 提供预压缩量, 保证聚四氟乙烯密封圈和阀套的紧密 接触, 自动补偿由于运动过程中密封件的磨损而造成 的间隙。 图 5 组合式密封仿真模型 68机床与液压第 43 卷 聚四氟乙烯密封条和阀套之间的密封是主密封 面, O 型密封圈与阀芯之间的密封是副密封。 对于密 封性能来说, 密封性能的好坏主要取决于主密封面之 间的接触压力是否大于介质压力, 当密封面之间的接 触压力小于介质压力时, 介质压力自然使得密封面分 离, 造成了泄漏; 然而当密封面之间的接触压力远远 大于介质压力时, 介质压力无法使两者分开, 同时也 造成了较大的摩擦力[7]。 此安全阀的工作压力为 40 MPa, 图 6 是在 40 MPa 介质压力情况下不同预压缩量的组合式密封压 力云图。 图 6 40 MPa、 不同预压缩量下应力云图 从图6 可以看出 当安装预压缩量分别为 10%和 15%、 介质压力为 40 MPa 时, 聚四氟乙烯密封圈已 经部分挤到密封槽外, 密封易失效, 并且主密封面上 的接触压力只有施加介质压力一端处的倒角位置达到 近似 73 MPa 的压力, 虽然密封面上的最大接触应力 大于介质压力可以实现密封, 但是只有一端满足上述 要求, 该部位易于磨损使得密封件的密封性能大大降 低; 当安装过盈量为 20%、 介质压力达到 40 MPa 时, 聚四氟乙烯密封圈两端的压力均可以达到 50 MPa 以上, 可以满足密封要求, 并且接触应力分布 对称, 可以减轻聚四氟乙烯密封圈的磨损; 当安装过 盈量为 25%、 介质压力为 40 MPa 时, 聚四氟乙烯密 封圈一端倒角处的接触压力高达 70 MPa, 可以满足 密封需求, 但会造成液压阀开启力过大, 而且两端接 触压力差值较大, 尤其在往复运动过程中大大增加了 密封条的磨损, 容易使密封副产生塑性变形, 加剧阀 芯和阀套接触面磨损, 引起泄漏。 综上所述, 选择安 装预压缩量为 20%。 4 结论 通过对额定流量为 4 500 L/ min 的安全阀密封形 式的确定、 密封材料的选择及密封参数的仿真分析, 探讨了此类安全阀应采用橡胶和聚四氟乙烯 O 型圈 的组合式密封的原因, 并确定了最佳的预压缩量为 (下转第 141 页) 78第 22 期郭冰菁 等 高水基高压大流量安全阀密封失效分析 mm2, V01= 0, V02= 0, βe = 3 108Pa, Kv= 0 005 mm/ A, Ka=0 2 A/ V, ρ= 900 kg/ m3, Cd= 0 62, ps= 6106Pa, pT=0, Cip=210 -13 m3/ (sPa), Fls= 120 N, Flb=60 N, ω=18 85 mm。 以下分别是图 3 所示的挖掘轨迹所对应的斗杆和 铲斗液压缸位置和力跟踪示意图。 从图 47 可以看出 斗杆和铲斗液压缸的位置 和力跟踪效果较好。 液压缸的位置变化之所以呈线 性, 是因为在轨迹规划时考虑到液压缸运动的平滑 性, 针对挖掘轨迹通过逆运动学得到油缸变化曲线, 然后采用直线拟合, 再通过正运动学得到实际挖掘轨 迹, 保证了液压缸的匀速运动。 值得注意的是 阻抗 控制是通过调整参考位置间接实现力控制, 控制精度 依赖于对负载信息的精确了解, 因此与位置跟踪相 比, 阻抗控制缺乏精确力跟踪能力。 另外通过调整目 标阻抗, 可以得到不同的输出力。 图 4 斗杆液压缸的位 置跟踪效果图 图 5 铲斗液压缸的位 置跟踪效果图 图 6 斗杆液压缸的 力跟踪效果图 图 7 铲斗液压缸的 力跟踪效果图 5 结论 在建立了挖掘机电液系统非线性数学模型的基础 上, 设计了滑模阻抗控制器, 保证不确定性对系统的 性能品质影响最恶劣的时候也能满足控制要求。 与一 般滑模控制不同的是, 切换系数根据系统偏差的大小 而自动变化。 基于力的阻抗控制保证了挖掘机在自 由/ 约束空间都能理想地满足挖掘任务, 对于挖掘机 的位置控制和力控制有很好的借鉴意义。 参考文献 [1] HA Q P,NGUYEN Q H,RYE D C,et al.Impedance Con⁃ trol of a Hydraulically Actuated Robotic Excavator[J].Au⁃ tomation in Construction,2000,9(5)421-435. 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(上接第 87 页) 20%。 针对极端工况, 为降低高压大流量安全阀的密 封失效提供了理论分析方法, 对保障液压支架系统整 体的可靠性有着重要的作用。 参考文献 [1] 蒲忠辉,佘之盛.煤矿液压支架纯水安全阀的主要结构 参数设计[J].液压与气动,2012(11)126-128. [2] 孟锋,张锋,刘文东,等.O 形密封圈在采煤机中的 3 种 应用形式[J].煤矿机械,2011(10)207-209. [3] 邓伟森,李阁强,穆健勇,等.液压支架用千升安全阀的 关键技术研究[J].液压与气动,2011(9)86-87. [4] 李新宇.安全阀应用中存在的问题及对策[J].流体传动 与控制,2012,34(2)4-6. [5] 岳戈,陈权.ADINA 应用基础与实例详解[M].北京人 民交通出版社,20081-2. [6] 张毅,王国志,刘桓龙,等.深海液压动力源 O 型圈密封 性能分析[J].液压与气动,2014(8)23-25. [7] 崔晓,董彦良,赵克定.基于 ADINA 的组合式动密封泄 漏量与摩擦力计算[J].华南理工大学学报自然科学 版,2010,38(2)95-100. 141第 22 期许颖 等 挖掘机电液系统的滑模阻抗控制