电液锤二级阀密封垫分析与改善
2013-08-25蔺海涛
蔺海涛
作者通联：河冶科技股份有限公司 石家庄市跃进路171号 050031
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一、电液锤二级阀及密封垫断裂故障
1.二级阀部件功能
主控阀和二级阀是电液锤上最重要的两个液压阀，二级阀的基本作用是实现快放功能。图1是二级阀简图。
图1为半剖图，中心线之上是快放状态，中心线之下是供油或慢落状态。液压油从油泵经主控阀出来，通向二级阀的进油口，其方向和流量均可由主控阀的开度控制。当电液锤锤杆刚开始下落时，浮动阀处于中心线之下的位置。液压油先由锤杆下腔进入二级阀，然后以一定流速从回油口逆流到主控阀后卸荷。随着锤杆下落速度的增加，二级阀的浮动阀自动打开，关闭进油口的同时打开阀套上的回油口，锤杆下腔的压力迅速释放，快速放回到油箱，实现锻锤的打击功能。
图1 二级阀简图
2.故障情况
故障表现为供油不足，油泵上压时间长，卸荷时间短或没有卸荷时间。不管轻锤还是重锤，系统溢流阀始终处于加压之中。电液锤无法实现连续打击，打击频率远远低于额定频率，锻件无法在规定时间内成形。
打开观察孔，试提锤，当锤头悬起时，二级阀附近产生强烈喷油现象。停锤拆检，发现二级阀密封垫断裂。
二、断裂分析及改善方案
1.断裂分析
直观上看密封垫断裂是由于强度不足，仔细观察密封垫装配情况，发现密封垫与基体之间配合不紧密，有0.5mm间隙，基体内沿对密封圈的外圈没有加固作用，密封垫所受外力全部由自身承受。如果将密封垫外径加大，与阀套之间会不同心，导致二级阀意外卡滞，最好的办法是从结构上解决密封垫强度问题。
查看密封垫外形，影响其强度的结构有两处，一是密封垫20mm的厚度有点薄。二是密封槽的存在产生应力集中，也影响零件强度。
2.改善措施
可在不影响阀套密封的情况下，适当增加垫的厚度到25mm。另外，将O形密封圈深度减小，尽量减少对机体的影响。考虑到密封圈的安放空间，不再使用橡胶材料，而采用紫铜垫替代。修改之后的零件与原零件对比见图2。
3.建立模型做静力分析
（1）原装密封垫分析。密封垫已知条件：材料40Cr钢，模型类型（假设线性弹性同向性），压力15MPa，冲击力假设200kN，重量 0.67kg，密度 7700kg/m3，重量6.5N。
认为密封垫的材料组织是均匀的，线性弹性具备同向性。假设浮动阀对密封垫的冲击力为200kN，此项假设不具备实质性意义，只是想知道改进后的零件相对原零件究竟产生多大效果，只要假设数值一致就不会影响分析结果。实际的冲击力非常复杂，难以计算浮动阀的加速度，只能间接分析后做比较，从而验证最终效果。系统的额定工作压力是12～15MPa，锤头换向时会产生逆流，压力将＞15MPa，所以在密封垫内圈加15MPa的载荷。
图2 零件对比
载荷系数（基础的安全系数）定为7，这项指标也没有太大意义，只是便于分析，阀件处于恶劣的工作环境之中，选系数大一些较符合实际。之后的所有分析假设条件不变，不再赘述。
分析结果，最大应力发生在O形圈密封槽附近，为368.2MPa，与直观感觉相符。最大应力处产生最小的安全系数为1.7，最大应力368.194MPa，最小安全系数1.69。薄弱环节处先产生裂纹之后断裂，与实际断口相符。
（2）改进后的密封垫分析结果。输入质量0.97kg，重量9.52N。结果为最小安全系数1.79。分析应力分布情况，重量比原零件增加45%，但安全系数为1.79，只增加了6%，显然不是一个理想的结果，需要重新设计。
三、重新设计密封垫
重新设计后的密封垫见图3。
（1）彻底改变密封垫的受力方向，将接触面倒角去掉，让浮动阀对密封垫施加的径向分力消失。
（2）消除 O形密封槽，避免其对基体的破坏。用紫铜垫来解决密封问题，即增加 Ф95mm ×Ф130mm的铜垫。
（3）0.1mm 止口并不存在，只是为了划定受力面积，便于静力分析。
（4）由于所受冲击力方向改变，为了保证初始条件相同，使分析结果具备可比性，冲击力的大小应该做相应调整。由力的分解可知，冲击力应该是141.443kN，之后用这个数值进行模拟分析。
重新测定应力分布及安全系数，输入质量1.02kg，重量10.04N，冲击力141.443kN。输出结果，最大应力95.38MPa，最小安全系数6.5。
重量基本没有增加，但是最小安全系数由1.79增加到6.5，是原来的3.6倍。相同条件下，改进后的密封垫压力分布合理，说明方案可行。按设计图纸制作的密封垫使用后，没有再断裂。
图3 密封垫
四、结论
电液锤二级阀密封垫断裂问题，可以通过改变结合面受力方向进而提高零件可靠性的方法来解决。设备维修中，如果相同的部位连续出现2次以上故障，就应该引起高度重视，通过理论分析与试验，改善故障点。依靠经验判断有时会得出不可靠结论，尽可能结合理论分析，得出相应的数量关系，才更接近事实。
