小型挖掘机多路阀泄漏特性分析

翟海燕，邢红兵，薛 源

（江苏汇智高端工程机械创新中心有限公司，江苏 徐州221004）

0 引言

液压元件普遍存在泄漏问题，作为小型挖掘机核心零部件的多路阀亦是如此。

在多路阀的研究中主要研究内泄漏。刘继凯[1]基于公式和仿真模型，指出选取阀芯、阀体材料时，应使阀芯的线膨胀系数比阀体的线膨胀系数大，增加阀芯与阀体的间的缝隙长度、减小偏心量及阀芯直径均对减小缝隙间泄漏量有显著影响；徐龙[2]通过MATLAB建立内泄漏数据分析软件，通过软件界面命令的简易化操作实现内泄漏试验数据多方面的短暂存储、叠加和分析，操作方便，功能全面，易于维护。

综上所述，学者对内泄漏的问题多集中于工作参数的影响，而对于工程实际应用涉及较少。本文作者基于某型小型挖掘机多路阀开发试验过程中出现的泄漏问题及解决验证过程，分析总结影响多路阀外泄漏和内泄漏的原因并提出解决方案供参考。

本文所涉及的小型挖掘机多路阀为片式液控先导控制负载敏感多路阀，具体结构如图1所示，包括1个进油联1、8个工作联2和1个尾联3共10个阀片，工作联片间安装有密封4和其他零件，通过双头螺柱5、螺母6将10个阀片连接成总成多路阀。

图1 某型小型挖掘机片式多路阀结构

1 外泄漏

1.1 片间泄漏

片间泄漏是片式多路阀的一个顽疾，图2为本文所涉及的小型挖掘机片式多路阀的工作联阀体结构，负载压力控制口Lc和反馈口Ls有密封槽安装有密封圈，高压腔P和单向阀高压腔受空间限制无密封槽，外圈密封槽与T腔相通，可将外围密封槽内挤压的液压油引到低压腔T，外圈密封结构降低了片间泄漏的概率。该型小型挖掘机片式多路阀在台架可靠性验证过程冲发现片间有少量渗油，利用鱼骨图工具，对可能引起渗油的原因包括O形圈槽深、密封面平面度、密封圈硬度、连接阀片的双头螺柱螺母力矩设定值、力矩的衰减等进行梳理并逐一台架验证，得到结论为：在零件满足设计要求的前提下，片式多路阀连接阀片的双头螺柱的同步拧紧可消除片式多路阀片间漏油的风险，同时推荐选择低压密封圈硬度为邵尔硬度70度。

图2 小型挖掘机片式多路阀的工作联阀体结构

1.2 端盖泄漏

小型挖掘机多路阀的端盖材质多为铝合金，其密封型式为轴向密封，端盖内最压力为3 MPa，但是在台架验证过程中所有16个端盖都普遍渗油，通过对所有影响因素进行梳理并实际台架验证确定端盖泄漏的影响因素主要有：（1）密封圈硬度为邵尔硬度70度，压缩率最优范围为23% ～28%；（2）密封圈槽深均匀，误差不能超过0.1 mm；（3）端盖螺钉安装拧紧力矩，M5螺钉拧紧力矩为11～12 N·m。

1.3 插装阀和堵头泄漏

螺纹插装阀和堵头均为螺纹安装件，也是小型挖掘机多路阀的关键部件，也是外泄漏点之一。螺纹插装阀的密封型式一般为O形圈密封，堵头的密封形式一般为O形圈密封和ED密封，其泄漏的根本原因是密封圈损坏。通过对早期和中期漏油的零件进行分析可得到如下结论：（1）螺纹安装件早期漏油为零件装配时密封圈已损坏，故建议装配时O形圈需涂抹黄油，消除切圈的可能性；装配ED密封堵头来时ED密封圈必须置于凹槽中，消除装配时挤压损坏风险；（2）中期漏油主要是密封圈老化或螺纹件松动或螺纹件拧的过紧导致密封圈损坏，故建议螺纹件的装配必须严格按照厂家规定的力矩拧紧。

2 换向内泄漏

对于本文所涉及的小型挖掘机多路阀来说，如上所述，因工作联阀体密封面高压腔P和单向阀高压腔受空间限制无密封槽，故多路阀处于工作位时，各联的连接配合密封面上的高压腔会向低压腔T泄漏，也成为换向泄漏量的主要组成部分，该泄漏量是由两个配合面之间的间隙引起，其大小可以按照间隙流量公式[3]（1）近似计算：

式中：h为两阀体配合面之间的间隙，b为宽度，Δp为压差，l为沿液流方向长度，μ为动力粘度。

由式（1）可以看出间隙h是最敏感的参数，而h是由阀体配合面的平面度决定。小型挖掘机多路阀一般由8个工作联、1个进油联和1个尾联组成，包括9个密封配合面，图3是阀体平面度不同时小型挖掘机多路阀的换向泄漏量随压差变化的曲线，曲线1是平面度超差时换向泄漏的曲线，曲线2是平面度在0.01 mm以内时的换向泄漏量随压力变化的曲线。因此对于该型小型挖掘机多路阀来说，阀体平面度是制造控制的关键参数，一般小于0.02 mm。

图3 换向泄漏量随压差变化曲线

3 中位内泄漏

对小型挖掘机来说，因其市场竞争激烈，成本控制极为严格，而且为效率型机械，工作装置液压缸不会加平衡阀或液压锁，故工作装置姿态的保持完全要靠多路阀的中位内泄量来保证，一般情况下动臂的大腔（上升位）和斗杆的小腔（外摆位）的泄漏量要求极为严格。图4为本文涉及的小型挖掘机多路阀的动臂或斗杆的工作联结构剖面示意图。

图4 动臂或斗杆联工作联结构剖面示意图

由图4可以看出，A口的泄漏通道包括2条，第1条为主阀芯和阀孔的配合间隙，第2条为过载补油阀与阀体阀孔的锥面配合面，因过载补油阀的单向阀和溢流阀均为锥面配合，基本能实现零泄漏，故A口的泄漏量主要由主阀芯和阀孔的配合间隙决定，大小可按照同心环状间隙公式[3]（2）近似计算。

式中：d为圆柱直径，h为环状间隙，μ为动力粘度，l为轴向间隙长度即阀芯和阀孔的遮盖量，Δp为压差。小型挖掘机多路阀的配合间隙一般控制为0.002～0.003 mm，阀孔的圆柱度 ＜0.003 mm，实测A口（即不带保持阀工作口）的泄漏量在压力为7 MPa，液压油温为50℃时能够达到 ＜8 mL/min。

B口增加了保持阀，隔断了B口和C腔，保持阀与阀体阀孔的配合为球面和锥面的配合，基本上能够实现零泄漏，故消除了C腔通过主阀芯和阀孔的配合间隙到T的通道。通过台架实测及数据统计可得到如下结论：保持阀的增加使得B口的中位泄漏量更小，零件1、2、3合格的前提下，B口泄漏量在压力为7 MPa，液压油温为50℃时能够达到＜3 mL/min，需重点关注阀体1保持阀孔和过载补油阀孔的加工质量。

4 结论

本文基于对某型小型挖掘机多路阀研发验证过程中出现的漏油问题，系统全面的对小型挖掘机多路阀的泄漏特性进行了研究，所得结论如下：

（1）小型挖掘机多路阀的外泄漏主要受装配因素的影响：1）连接阀片的双头螺柱螺母的同步拧紧；2）端盖、螺纹插装阀和堵头等装配力矩；3）螺纹插装阀和堵头的O形圈装配时需涂抹黄油。此外O形圈的硬度也是一个关键指标，低压需选择邵尔硬度70度。

（2）小型挖掘机多路阀的内泄漏主要受制造精度的影响：1）换向位内泄漏主要受密封面平面度的影响和阀孔圆柱度的影响；2）中位内泄漏主要受阀孔圆柱度的影响。

总之，片式多路阀的泄漏特性指标直接反映了一个企业的制造水平，无泄漏是其追求的目标，对许多国内多路阀制造企业来说需不断提升工艺水平和管理水平。