宋艷亮

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013)

0 引言

隨著我國采煤技術(shù)的快速發(fā)展，綜采工作面開采技術(shù)正由機(jī)械化到自動化、智能化轉(zhuǎn)變，目前部分工作面實(shí)現(xiàn)了工作面無人操作一人巡視，大大提高了工作效率，但實(shí)現(xiàn)工作面無人化、遠(yuǎn)程智能操作是最終目標(biāo)，達(dá)到這一最終目標(biāo)必須要保證各種關(guān)聯(lián)設(shè)備的可靠性。在綜采工作面的安全支護(hù)設(shè)備是液壓支架，液壓閥的可靠性是保證液壓支架操作可靠性的保證。提高可靠性是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，除科學(xué)的設(shè)計、先進(jìn)的材料及完善的工藝外，還應(yīng)注意應(yīng)用和維護(hù)的可靠性，系統(tǒng)的狀況監(jiān)測、故障診斷及降低元件對污染的敏感性[1]。在本文中主要針對綜采工作面中液壓閥的O形圈相關(guān)失效方面進(jìn)行分析，O形圈以其制造容易、成本低廉、具有良好的密封性而廣泛應(yīng)用在各類機(jī)械設(shè)備中，包括液壓泵類、風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、攪拌機(jī)、石油、化工、機(jī)械設(shè)備都使用了不同材料的O形圈[2]，同樣在綜采工作面系統(tǒng)中的液壓中也廣泛應(yīng)用，液壓閥在應(yīng)用過程中的失效方式主要是密封失效，導(dǎo)致無效支護(hù)或無效操作，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。如圖1和圖2所示，密封件的破損或斷裂導(dǎo)致液壓閥失效，從而致使綜采工作面支護(hù)或設(shè)備無法正常運(yùn)行而停產(chǎn)，嚴(yán)重時會導(dǎo)致頂板下沉、設(shè)備報廢、人員傷亡等嚴(yán)重后果。目前為加強(qiáng)對密封件的可靠性測試與壽命測試，技術(shù)人員通過將目前先進(jìn)技術(shù)融入到原有檢測設(shè)備中，利用電脈沖信號控制步進(jìn)電動機(jī)實(shí)現(xiàn)角度或直線位移[3]。改造密封件高壓及沖擊性能試驗(yàn)臺在原有的密封件性能試驗(yàn)臺上做了進(jìn)一步的設(shè)計改進(jìn)，為選用密封件提供了一定的依據(jù)[4]。

圖2 密封圈斷裂

1 影響液壓閥密封圈壽命的因素

O形密封圈是一種可對兩個方向起密封作用的密封元件，因其結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、密封性能好、摩擦力小、溝槽尺寸小、易制造等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于液壓與氣動元件中[5]。

如圖3所示，其工作原理為當(dāng)O形圈安裝在液壓閥的溝槽中其徑向或軸向預(yù)壓縮賦予O形圈自身的初始密封能力，它隨工作介質(zhì)壓力的提高促使其變形并提高其密封效果，如工作介質(zhì)壓力降到0時，變形恢復(fù)到安裝的原始壓縮狀態(tài)。

綜采工作面液壓控制閥所用工作介質(zhì)多為水基的，與其他工程機(jī)械用油介質(zhì)液壓閥有所不同，因地域不同、設(shè)備應(yīng)用環(huán)境不同、設(shè)備管理形式不同，引起液壓閥密封件失效的原因有多種，主要有密封槽尺寸不合格、配合間隙過大或過小、零件表面粗糙度差、密封件選型不合格、介質(zhì)乳化液配比濃度低、水質(zhì)具有較強(qiáng)腐蝕性、密封件選型不符合要求等因素。

1.1 密封槽尺寸影響

矩形溝槽是O形圈常用的一種安裝形式，矩形槽的兩側(cè)都可以作為與O形圈的配合面，進(jìn)而承受另一側(cè)的工作介質(zhì)壓力，起到密封作用。矩形槽的空間大小決定了O形圈的初始壓縮量及變形狀態(tài)，矩形槽容積過小則初始壓縮量過大，造成裝配不方便且在裝配過程中容易損傷O形圈，造成密封圈過度壓縮或裝配過程中“切圈”；如果容積過大則壓縮量較小，雖然裝配時比較容易，但會造成O形圈的預(yù)壓縮強(qiáng)度降低，容積過大或過小都會造成密封效果和使用壽命降低。

1.2 配合間隙影響

配合間隙是指兩個具有密封要求元件之間的安裝間隙，從圖3中可以看出，O形圈在工作介質(zhì)的壓力作用下向無壓力側(cè)被擠壓，O形圈是本身材質(zhì)較軟則向一切可以填充的區(qū)域運(yùn)動，則O形圈變形部分將被擠入間隙中，如果間隙過大會導(dǎo)致O形圈被擠出矩形槽或部分端面被擠掉，造成密封件使用壽命降低或密封失效。配合間隙過小雖然利于提高O形圈的使用壽命，但也提高了配合零部件的加工精度和裝配工藝要求，經(jīng)濟(jì)性降低。

另外在運(yùn)用O形圈時一并與擋圈配套應(yīng)用，擋圈的配合尺寸過大同樣也會造成O形圈的損傷。如圖4所示。

圖4 間隙過大造成切圈

1.3 零件表面粗糙度影響

無論采用哪種加工方法所獲得的零件表面，都不是絕對平整和光滑的，其表面都有微觀的峰谷不平的痕跡，如圖5所示。由于O形圈在矩形槽中受工作介質(zhì)的壓力會在矩形槽中和配合軸的表面上往復(fù)運(yùn)動，同時O形圈受壓力作用，變形部分被擠壓到峰谷不平的“谷”中，在往復(fù)運(yùn)動過程中，峰谷不平的表面就像利器損傷O形圈的表面，零件表面粗糙度越大，則對O形圈的損傷越嚴(yán)重，尤其是對于高壓動密封。

圖5 零件表面

1.4 密封件選型的影響

由于工作介質(zhì)的不同及工作介質(zhì)的壓力不同，對密封件的選型也有所不同。O形圈一般由丁晴橡膠、氟橡膠、乙丙橡膠、硅橡膠、特殊合成橡膠等材料制造，不同的材料有不同的特性，且同一材料根據(jù)制造工藝不同又有不同的硬度區(qū)分，分別適用于不同的工作介質(zhì)、工作溫度、工作壓力工況。以丁晴橡膠為例，該材料可以適用于大部分的液壓閥，但在不同的工作壓力情況下要選擇不同硬度的O形圈，NBR70硬度的O形圈適用于15 MPa以下的壓力情況，如：在31.5 MPa或更高的壓力工況下應(yīng)用，液壓閥的使用壽命不到10 000次就密封失效。對于高溫的綜采工作面如選用常規(guī)的O形圈進(jìn)行密封，則使用壽命會大大降低。

1.5 工作介質(zhì)的影響

雖然O形圈密封材料適應(yīng)范圍比較廣，但也有一定的局限性。對于酸堿性太大的工作介質(zhì)，密封件的使用壽命會受影響，一方面是工作介質(zhì)對O形圈材料的腐蝕，促使O形圈加速老化；一方面是酸堿性太大的工作介質(zhì)對配合零件的腐蝕，造成零件表面粗糙度降低，加速對O形圈的磨損。目前，有些工作面為降低運(yùn)行成本降低液壓閥介質(zhì)的濃度,造成運(yùn)動副潤滑不足，加劇了密封件的磨損，個別工作面在進(jìn)行介質(zhì)的配比前未進(jìn)行充分驗(yàn)證，致使介質(zhì)出現(xiàn)析出物，堵塞了過濾器且影響了閥芯的運(yùn)動靈活性。

2 液壓閥密封副選擇

在進(jìn)行液壓閥的密封副設(shè)計時，首先要明確產(chǎn)品應(yīng)用的工作介質(zhì)條件，選擇密封件時，對于其本身的要求需滿足：在一定的壓力、溫度范圍內(nèi)具有良好的密封性能，并留出不小于20%以上的安全空間；密封裝置和運(yùn)動件支架的摩擦力要小，摩擦因數(shù)要穩(wěn)定；基體要求抗腐蝕能力強(qiáng)，不易老化，工作壽命長，耐磨性好；整體結(jié)構(gòu)簡單，適用、維護(hù)方便，價格低廉。

2.1 O形圈尺寸和材料硬度的選擇

為了達(dá)到最好的密封效果，所選O形圈的截面直徑盡可能選大的，在動密封應(yīng)用場合中，考慮到尺寸公差的因素，同一內(nèi)徑時選用較大的截面直徑是較好的方案，在相同壓縮量條件下，較大截面直徑的O形圈使用壽命較長；而在靜密封應(yīng)用場合中，較大截面直徑使用時比較小界面直徑的使用壽命長。對于壓力越高的工況，所選擇的密封件硬度就越高，可以提高密封可靠性及使用壽命，同樣工況下，動態(tài)工況下密封圈的強(qiáng)度要高于靜態(tài)工況下密封圈的強(qiáng)度。

2.2 O形圈壓縮量的選擇

O形圈在安裝矩形槽中的初始壓縮量是對保證它的初始密封及工作過程中的密封功能的關(guān)鍵，并不是初始壓縮量越大越好，初始壓縮量越大，啟動摩擦力越大，對于有響應(yīng)時間要求的閥芯開啟是不利的。在液壓閥中選用常規(guī)的O形密封圈進(jìn)行密封時，初始壓縮量建議如下：

靜密封為15%～30%；動密封為10%～18%。

如選用硬度比較高的密封圈，則需要根據(jù)液壓閥性能要求進(jìn)行設(shè)計選擇合適的壓縮量，除了進(jìn)行理論計算，最好進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如按常規(guī)O形圈壓縮量設(shè)計，摩擦力會比較大，影響了液壓閥的響應(yīng)速度及整體性能。

2.3 矩形槽的設(shè)計

根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，O形圈安裝所用的矩形槽面積應(yīng)為O形圈截面面積的1.25倍，如有擋圈則需另外增加擋圈的空間。這樣當(dāng)O形圈體積增大時，矩形溝槽就有足夠空間來適應(yīng)。同時，工作介質(zhì)的壓力作用于O形圈表面，可以提高所需接觸壓力以達(dá)到較好的密封效果。

矩形槽的側(cè)面可以加工成傾斜5°以內(nèi)的傾角，但如果用擋圈則側(cè)面必須垂直。矩形槽中與O形圈有相互作用力的地方，粗糙度要求達(dá)到Ra 1.6以上，非作用力面要達(dá)到Ra 3.2以上。

如選用擋圈與O形圈配合應(yīng)用，則要求擋圈與基體的配合間隙不能過大，間隙應(yīng)控制在0.1 mm以內(nèi)。

2.4 工作介質(zhì)的選擇

為提高液壓閥的使用壽命，建議對液壓閥的工作介質(zhì)提出一定的要求，要求低腐蝕性，濃度大于一定值且避免有析出物，并具有一定的潤滑防銹蝕能力，既保證了相對運(yùn)動的潤滑，同時又對基體進(jìn)行了防銹處理，可以提高密封件的使用壽命，做到液壓閥應(yīng)用的可靠性。

3 密封件組裝注意事項(xiàng)

隨著綜采工作面的大規(guī)模應(yīng)用，液壓閥的需求量也逐漸增大，原有的手工裝配形式已不能滿足要求，且手工裝配質(zhì)量受人為因素影響比較大，長時間裝配密封圈會造成人員的視覺疲勞，最終導(dǎo)致漏裝或位置裝錯，從而造成液壓閥產(chǎn)品的性能不合格。在組裝O形圈時避免用尖銳的工具進(jìn)行引導(dǎo)或調(diào)整，O形圈上及對應(yīng)的閥體密封區(qū)域內(nèi)噴涂一定的油液進(jìn)行潤滑，保證O形圈的順利過渡與裝配到位。

4 結(jié)論

由于各地乳化液介質(zhì)、工作壓力、工作面應(yīng)用環(huán)境不同，同一種液壓閥在不同的地區(qū)應(yīng)用效果差別可能比較大，如果綜合各地液壓閥工作環(huán)境要求選擇合適的密封件與密封形式，提高液壓閥設(shè)計的安全系數(shù)，在一定程度上雖然增加了產(chǎn)品成本，但可以擴(kuò)大產(chǎn)品的適用范圍，提高產(chǎn)品的可靠性，縮小不同地區(qū)的應(yīng)用差異，保證綜采工作面支護(hù)設(shè)備的可靠性操作，為實(shí)現(xiàn)無人化、遠(yuǎn)程智能操作奠定基礎(chǔ)。