電液錘二級閥密封墊分析與改善

藺海濤

作者通聯(lián)：河冶科技股份有限公司 石家莊市躍進(jìn)路171號 050031

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一、電液錘二級閥及密封墊斷裂故障

1.二級閥部件功能

主控閥和二級閥是電液錘上最重要的兩個(gè)液壓閥，二級閥的基本作用是實(shí)現(xiàn)快放功能。圖1是二級閥簡圖。

圖1為半剖圖，中心線之上是快放狀態(tài)，中心線之下是供油或慢落狀態(tài)。液壓油從油泵經(jīng)主控閥出來，通向二級閥的進(jìn)油口，其方向和流量均可由主控閥的開度控制。當(dāng)電液錘錘桿剛開始下落時(shí)，浮動(dòng)閥處于中心線之下的位置。液壓油先由錘桿下腔進(jìn)入二級閥，然后以一定流速從回油口逆流到主控閥后卸荷。隨著錘桿下落速度的增加，二級閥的浮動(dòng)閥自動(dòng)打開，關(guān)閉進(jìn)油口的同時(shí)打開閥套上的回油口，錘桿下腔的壓力迅速釋放，快速放回到油箱，實(shí)現(xiàn)鍛錘的打擊功能。

圖1 二級閥簡圖

2.故障情況

故障表現(xiàn)為供油不足，油泵上壓時(shí)間長，卸荷時(shí)間短或沒有卸荷時(shí)間。不管輕錘還是重錘，系統(tǒng)溢流閥始終處于加壓之中。電液錘無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)打擊，打擊頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于額定頻率，鍛件無法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)成形。

打開觀察孔，試提錘，當(dāng)錘頭懸起時(shí)，二級閥附近產(chǎn)生強(qiáng)烈噴油現(xiàn)象。停錘拆檢，發(fā)現(xiàn)二級閥密封墊斷裂。

二、斷裂分析及改善方案

1.斷裂分析

直觀上看密封墊斷裂是由于強(qiáng)度不足，仔細(xì)觀察密封墊裝配情況，發(fā)現(xiàn)密封墊與基體之間配合不緊密，有0.5mm間隙，基體內(nèi)沿對密封圈的外圈沒有加固作用，密封墊所受外力全部由自身承受。如果將密封墊外徑加大，與閥套之間會(huì)不同心，導(dǎo)致二級閥意外卡滯，最好的辦法是從結(jié)構(gòu)上解決密封墊強(qiáng)度問題。

查看密封墊外形，影響其強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)有兩處，一是密封墊20mm的厚度有點(diǎn)薄。二是密封槽的存在產(chǎn)生應(yīng)力集中，也影響零件強(qiáng)度。

2.改善措施

可在不影響閥套密封的情況下，適當(dāng)增加墊的厚度到25mm。另外，將O形密封圈深度減小，盡量減少對機(jī)體的影響?？紤]到密封圈的安放空間，不再使用橡膠材料，而采用紫銅墊替代。修改之后的零件與原零件對比見圖2。

3.建立模型做靜力分析

（1）原裝密封墊分析。密封墊已知條件：材料40Cr鋼，模型類型（假設(shè)線性彈性同向性），壓力15MPa，沖擊力假設(shè)200kN，重量 0.67kg，密度 7700kg/m3，重量6.5N。

認(rèn)為密封墊的材料組織是均勻的，線性彈性具備同向性。假設(shè)浮動(dòng)閥對密封墊的沖擊力為200kN，此項(xiàng)假設(shè)不具備實(shí)質(zhì)性意義，只是想知道改進(jìn)后的零件相對原零件究竟產(chǎn)生多大效果，只要假設(shè)數(shù)值一致就不會(huì)影響分析結(jié)果。實(shí)際的沖擊力非常復(fù)雜，難以計(jì)算浮動(dòng)閥的加速度，只能間接分析后做比較，從而驗(yàn)證最終效果。系統(tǒng)的額定工作壓力是12～15MPa，錘頭換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生逆流，壓力將＞15MPa，所以在密封墊內(nèi)圈加15MPa的載荷。

圖2 零件對比

載荷系數(shù)（基礎(chǔ)的安全系數(shù)）定為7，這項(xiàng)指標(biāo)也沒有太大意義，只是便于分析，閥件處于惡劣的工作環(huán)境之中，選系數(shù)大一些較符合實(shí)際。之后的所有分析假設(shè)條件不變，不再贅述。

分析結(jié)果，最大應(yīng)力發(fā)生在O形圈密封槽附近，為368.2MPa，與直觀感覺相符。最大應(yīng)力處產(chǎn)生最小的安全系數(shù)為1.7，最大應(yīng)力368.194MPa，最小安全系數(shù)1.69。薄弱環(huán)節(jié)處先產(chǎn)生裂紋之后斷裂，與實(shí)際斷口相符。

（2）改進(jìn)后的密封墊分析結(jié)果。輸入質(zhì)量0.97kg，重量9.52N。結(jié)果為最小安全系數(shù)1.79。分析應(yīng)力分布情況，重量比原零件增加45%，但安全系數(shù)為1.79，只增加了6%，顯然不是一個(gè)理想的結(jié)果，需要重新設(shè)計(jì)。

三、重新設(shè)計(jì)密封墊

重新設(shè)計(jì)后的密封墊見圖3。

（1）徹底改變密封墊的受力方向，將接觸面倒角去掉，讓浮動(dòng)閥對密封墊施加的徑向分力消失。

（2）消除 O形密封槽，避免其對基體的破壞。用紫銅墊來解決密封問題，即增加 Ф95mm ×Ф130mm的銅墊。

（3）0.1mm 止口并不存在，只是為了劃定受力面積，便于靜力分析。

（4）由于所受沖擊力方向改變，為了保證初始條件相同，使分析結(jié)果具備可比性，沖擊力的大小應(yīng)該做相應(yīng)調(diào)整。由力的分解可知，沖擊力應(yīng)該是141.443kN，之后用這個(gè)數(shù)值進(jìn)行模擬分析。

重新測定應(yīng)力分布及安全系數(shù)，輸入質(zhì)量1.02kg，重量10.04N，沖擊力141.443kN。輸出結(jié)果，最大應(yīng)力95.38MPa，最小安全系數(shù)6.5。

重量基本沒有增加，但是最小安全系數(shù)由1.79增加到6.5，是原來的3.6倍。相同條件下，改進(jìn)后的密封墊壓力分布合理，說明方案可行。按設(shè)計(jì)圖紙制作的密封墊使用后，沒有再斷裂。

圖3 密封墊

四、結(jié)論

電液錘二級閥密封墊斷裂問題，可以通過改變結(jié)合面受力方向進(jìn)而提高零件可靠性的方法來解決。設(shè)備維修中，如果相同的部位連續(xù)出現(xiàn)2次以上故障，就應(yīng)該引起高度重視，通過理論分析與試驗(yàn)，改善故障點(diǎn)。依靠經(jīng)驗(yàn)判斷有時(shí)會(huì)得出不可靠結(jié)論，盡可能結(jié)合理論分析，得出相應(yīng)的數(shù)量關(guān)系，才更接近事實(shí)。