高压微型插装式液压电磁阀密封结构设计概述

马建强 于延宾 洪洋

摘 要 密封结构的设计是微型液压电磁阀的设计的难点，通过液压电磁阀常用密封结构分析，设计了一种锥套型密封结构，该结构可使位于同个径向平面的不同孔口同时实现径向密封和轴向密封，采用该结构可使两位三通阀的零件数减少55%，主要零件径向尺寸减少37.5%，轴向尺寸减少40%。结合工作环境对锥套型密封结构提出了材料性能要求、表面质量要求和试验要求，对液压电磁阀的高压化、微型化设计提供了重要参考。

关键词 液压电磁阀;微型;密封;试验

引言

高压微型插装式液压电磁阀集高压化、微型化、插装化于一体，可以独立作为小型液压系统的控制元件应用，也可以作为先导式电磁阀的先导级控制元件，用于控制下一级放大机构的动作，实现小通径、小流量控制大通径、大流量，广泛应用于汽车、航空航天、核工业、智能装备等领域。国外Moog、马夸特、Marotta等公司对微型电磁阀的研发工作开展较早，相继推出了一系列小型化部件， Lee、穆格、伊顿、派克等欧美企业的微小型液压电磁阀处于国际垄断地位，我国相关研究起步较晚，基本以从欧美进口为主，在航空航天、石油装备等领域随时面临禁运风险，亟须自主研制保障我国经济和国防安全[1-2]。本文将从密封结构的小型化进行设计分析，结合工作环境对材料、表面质量和验证试验方面提出要求。

1液压电磁阀密常用密封结构分析

液压电磁阀高压化、微型化面临的核心问题是电磁铁和密封结构小型化。液压电磁阀密封结构可采用“Ο”形密封圈、双层组合密封圈、PTFE包覆“Ο”形圈等形式，结构特点分析如下。但无论采用何种结构形式的密封槽、密封圈都直接影响产品的结构尺寸、可靠性和耐久性。

1.1 “Ο”形密封圈

“Ο”形橡胶密封圈是截面形状为圆形的环形橡胶密封件，其尺寸及材料性能符合GB/T 3452.1-2005《液压、气动用“Ο”形橡胶密封圈尺寸及公差》的要求，它是一种应用最广泛的静密封、往复运动及旋转运动密封件，并具有结构简单、安装方便、密封性能好、应用范围广、安装沟槽易于设计制造等优点 [3]。但“Ο”形密封圈也存在使用寿命短、高温高压密封性能差、最小尺寸受限等缺点。

1.2 双层组合密封圈

双层组合密封圈由内、外两层组成，外层一般用PTFE或PTFE填充材料挡圈，内圈为“Ο”形密封圈。该密封圈为接触面密封式，利用变形产生的反作用力提供密封所需接触压力，即沟槽设计使密封圈具有一定的过盈量，密封圈压缩变形后产生回弹力，并传递到密封接触面，形成预接触应力，使密封圈压紧缸筒内壁，实现密封[4]。该密封圈可用于轴类零件的动静密封，具有耐磨、稳定、可靠、双向承压的优点。但也存在摩擦力大、低温密封不良、安装不便、尺寸受限等缺点，尤其是径向尺寸的限制，使得小尺寸密封结构无法应用。

1.3 PTFE包覆“Ο”形密封圈

氟塑料包覆“Ο”形圈可用于替代传统“Ο”形密封圈，适用于工作环境和要求更为苛刻的密封环境，它是在“Ο”形密封圈的表面喷涂、浸渍PTFE（聚四氟乙烯）薄膜而成，具有性能好、效率高、耐磨损、寿命长的特点[5]。氟塑料包覆“Ο”形圈利用聚四氟乙烯低摩擦系数和磨损系数，减少了密封件的磨损，提高了密封可靠性和使用寿命，多用于动密封，由于径向、轴向尺寸限制，小型化应用受限。

2锥套型密封结构设计分析

用“Ο”形密封圈实现阀口间轴向密封，必须在零件的外徑或内径上加工沟槽，以固定密封件，沟槽的尺寸取决于密封件;且如果压力超过10MPa时，还要使用一至两个挡圈来确保密封圈不会被挤出，这就进一步增加了沟槽尺寸。锥套型密封结构如图1所示，其外部为圆柱形面，内部为锥形孔，径向开有贯穿通孔，完成装配后，可使同个轴向平面的不同孔口同时实现径向密封和轴向密封。锥套型密封件挤压嵌入后，接触密封部位既有一定的强度、刚度，又有一定的挤压变形，同时起到承压和密封作用，有效减小了阀套尺寸，阀口布局更灵活。

如图2、图3为两位三通阀锥套型密封结构与“Ο”形圈密封结构尺寸对比，其中进油P口通径为Ф1，负载A口通径为Ф1.2，回油R口通径为Ф1.5。满足相同流量、压力要求时，采用锥套型密封结构的两位三通阀，零件数减少55%，径向尺寸由Ф12减少至Ф15.5，减少37.5%;轴向尺寸由20减少至11.8，减少40%。

3锥套型密封结构材料性能要求

高压微型插装式液压电磁阀的工作环境为额定压力35MPa、温度-55℃～150℃，锥套型密封结构材料应满足以下要求：

（1）具有良好的机械系性能，安装时能密封且不会产生永久变形;

（2）应能承受耐压压力和爆破压力;

（3）拉伸强度、压缩强度应不低于115MPa;

（4）伸长率不大于7%;

（5）稳定使用的温度范围至少满足-55℃～170℃;

（6）与工作液压油介质具有良好的适应性，不应发生互溶、变质、变性、老化等。

4锥套型密封结构表面质量要求

密封结构的表面质量直接影响密封性，其外表面、内表面的表面质量应达到以下要求：

（1）锥套型密封结构外部圆柱形面与高压微型插装式液压电磁阀插装孔配合，实现轴向和径向密封，其表面粗糙应优于0.8um;

（2）锥套型密封结构内部锥形孔与高压微型插装式液压电磁阀的阀体配合，实现轴向和径向密封，其表面粗糙应优于0.8um。

5锥套型密封结构试验要求

根据高压微型插装式液压电磁阀的工作环境，锥套型密封结构试验应至少基于以下三方面考虑。第一，锥套型密封结构的内部泄漏是否达到设计要求;第二，锥套型密封结构是否会发生损伤或导致产品其他零件永久变形;第三，锥套型密封结构在高压下是否有足够的耐久性。因此，锥套型密封结构试验至少包括以下试验项目：

（1）常温性能试验：通过测试其内部泄漏量、开关动作响应时间等，验证密封结构在安装和膨胀时的变形量是否满足使用要求;

（2）耐压试验：主要验证其承受1.5倍额定工作压力的密封性能;

（3）低温试验：主要验证其在低温-55℃的密封性能;

（4）高温试验：主要验证其在高温150℃的密封性能;

（5）温度冲击试验：主要验证其在高温150℃和低温-55℃反复冲击下的密封性能;

（6） 压力脉冲实验：主要验证其在高低压循环交替变换时的耐压性、密封性和耐久性。

（7）爆破试验：主要验证其在承受3倍额定压力下，结构是否发生裂纹、断裂、塑性挤压变形或尺寸变化等;

（8）浸渍试验：主要验证其材料与工作介质的相容性。

6结束语

（1）采用锥套型密封结构的两位三通阀，零件数减少55%，径向尺寸减少37.5%，轴向尺寸减少40%;

（2）根据高压微型插装式电磁阀的工作环境，对锥套型密封结构材料提出了性能要求和表面质量要求;

（3）为确保锥套型密封结构的密封性、尺寸稳定性和耐久性，提出了锥套型密封结构试验要求。

该密封结构设计对实现高压插装式液压电磁阀结构的微型化意义重大，下阶段还需要对锥套型密封结构做详细设计和仿真分析，开展試验验证，并持续迭代优化，最终达到尺寸小、重量轻、可靠性高的目标。

参考文献

[1] 张珂，叶飞，王程勇，等.微型电磁阀设计[J].液压气动与密封，2019 （9）：81-82.

[2] 林涛，武葱茏，孙守黑.微型高压电磁阀的设计及应用[J].航天控制，2004（10）：93-96.

[3] 蔡祖光.“Ο”形橡胶密封圈及其应用[J].砖瓦世界，2019（11）：39-49.

[4] 严桃平，赵迎生，包海涛.新型组合密封圈的密封机理及其应用[J].机床与液压，2003（1）：2.

[5] 黄国冠.氟塑料包覆硅橡胶“O”形密封圈的性能表征及应用研究[D].上海：华东理工大学，2017.

作者简介

马建强（1981-），男，山东青州人;学历：硕士，职称：高级工程师，现就职单位：台州科技职业学院，研究方向：航空液压系统及部件研究与教学。