耙吸式挖泥船液压蝶阀技术改进

沈伟，严波

（长江南京航道工程局，江苏 南京 210011）

1 液压蝶阀改进设计参照规范

本液压蝶阀技术改进仅适用于“长鲸12”耙吸船式挖泥船泥门液压蝶阀的工况、性能等方面的技术要求，并根据国家相关的液压行业标准进行计算、设计。参照的有关液压标准：

GB/T786.1-1993 液压气动图形符号

GB/T2346-2003 流体传动系统及元件公称系列

GB/T3766-2001 液压系统通用技术条件

GB7938-95 液压缸及气缸公称系列

GB/T15622-95 液压缸试验方法

CB/T4333-2013 船用液压控制蝶阀行业标准

CB/T3036-1994 船用中心型液压蝶阀国家标准

GB/T6996-2007 重型机械液压系统通用技术条件

JB/T7033(2007) 液压测试技术通则

2 液压蝶阀技术参数

“长鲸12”船上液压蝶阀种类和数量很多，但是结构都一样，现选型号为D773HP-25C-DN500 的液压蝶阀作为典型来分析。

液压蝶阀型号：D773HP-25C-DN500，蝶阀通径：DN500，齿轮齿条油缸缸径：Φ80mm 杆径：Φ50mm，额定压力：16MPa，最大压力：25MPa，回转角度：900±120。

3 故障现象及分析

由于液压油是从液压蝶阀驱动轴部位泄漏出的，通过检查液压管路的位置和蝶阀结构，排除了该泄漏的液压油从液压管路泄漏的可能性，泄漏的液压油只能是从液压蝶阀的齿轮齿条油缸内部泄漏出来的，通过对“长鲸12”耙吸式挖泥船每一种规格的液压蝶阀齿轮齿条油缸全部解体，分析内部结构，发现船上的液压蝶阀在结构上都存在普遍的结构上的问题，该类液压蝶阀结构如下图：

图号说明：1-行程调节螺栓 2-缸底 3-连接螺栓 4-缸体 5-齿条活塞杆 6-缸筒 7-孔用格来圈密封圈 8-O 型圈 9-活塞 10-O 型圈 11-螺栓 12-齿轮 13-端盖

故障原因分析：该类蝶阀油缸泄漏主要由两个原因产生：（1）图号7 为孔用格来圈，该类密封圈由一个特康密封圈和一个O 型圈组合而成，优点是低摩擦，结构紧凑，沟槽结构简单，耐高压至最高70MPa，线速度快，最大速度可达15m/s，工作条件适应性强，有无润滑时性能均佳，加热后有较好的复原性。缺点：由于宽度尺寸比一般的Y 型密封圈小很多，上图DN500 蝶阀中的孔用格来圈宽度为8.1mm，而一般的Y 型密封圈宽度为12mm，对活塞和缸筒内孔的同心度要求更高，同时图中活塞结构中没有导向套或者导向带，活塞和缸筒内孔之间配合为间隙配合，公差要求为H8/f8，在齿轮齿条驱动蝶阀开关时齿条会发生一定程度的径向变形，使活塞倾斜变形，由于没有活塞导向带和缸筒接触导向，致使密封圈发生单边与缸筒接触从而产生磨损导致漏油。

（2）驱动液压蝶阀转动的齿轮齿条中的齿轮和缸体、端盖之间存在很大间隙，没有轴承给它径向定位，在驱动液压蝶阀转动轴时，齿轮端作为一个悬臂梁结构，齿轮在受力时更容易会产生径向变形，并作用于齿条上，使齿条产生径向变形，从而引起和齿条相连接的活塞径向倾斜变形，使活塞工作时密封圈单边与缸筒内壁接触磨损，最终导致漏油。

由于齿条活塞缺少导向和齿轮没有径向定位这两方面的原因共同引起活塞密封圈漏油现象。

4 解决方案

图号说明：1-行程调节螺栓 2-缸底 3-连接螺栓 4-缸体 5-齿条活塞杆 6-缸筒 7-导向带 8-O 型圈 9-Y 密封圈 10-活塞 11-O 型圈 12-螺栓 13-齿轮 14-轴承 15-端盖

方案说明：参考其余厂家同类型的液压蝶阀和液压油缸的结构形式，为使液压蝶阀能更好工作，解决油缸漏油问题，提出以下解决方案（见上图）：

(1）活塞增加导向带（即耐磨环），材料为PTFE（聚四氟乙烯+青铜），耐磨环具有精确的导向作用，并可吸收径向力，同时具有良好对中性能，有效防止滑动部件的金属或者密封圈单边接触，同时密封圈采用Y型进口密封圈，增加宽度密封面，依靠液压压力张紧唇边与缸筒紧密贴合，有效减少因变形引起的活塞倾斜导致的液压油泄漏。

(2）齿轮的上下两端增加轴承径向定位，改变受力形式，减少转动轴受力后产生的变形从而减小齿条的径向变形，有效避免了活塞倾斜引起的单边磨损密封圈。

5 油缸强度校核

5.1 计算参数

油缸内径 D=80mm，外径 D1=96mm

额定压力 Pn=16Mpa

最大压力 Pmax=25Mpa

缸筒、活塞杆 45 号钢

бb=600N/mm2бs=340N/mm2E=2.1x105N/mm2

5.2 缸筒壁厚计算与验算

5.2.1 壁厚计算

缸筒壁厚δ ＝δ0＋C1+C2

因δ/D=（96-80）/2/80=0.10 属于【0.08～0.3】范围，则δ0≥Pmax*D/（2.3*[б]-3Pmax）。

这里 δ0——为缸筒材料强度要求的最小值，m C1——为缸筒外径公差余量，m。C2——腐蚀余量，m。

[б]——缸筒材料许用应力，N/mm2

[б]＝бb/n=600/3=200 MN/m2,安全系数n 取3。

取δ ＝8mm,按中国船级社钢质海船入级与建造规范-2001-第三分册6.2.1.1 公式计算:

δ=pD/(2[б]ψ-p)+0.75=25x80/(2x200x1-25)+0.75=6.08mm＜8mm,故满足要求.

5.2.2 壁厚验算

（1）额定工作压力Pn 应低于一定的缸筒承压极限值，以保证工作安全：

Pn=16＜36.4Mpa 满足工作安全要求，这里D1——为缸筒外径，D1=96mm.

（2）避免塑性变形

Pn=16Mpa＜{21.67～26}Mpa 满足塑性变形要求。

（3）缸筒的爆裂压力Pr

Pr=2.3бb*log(D1/D)＝2.3x600xlog(0.096/0.08)=109.27MPa

Pr 值远远超过Pmax(25Mpa)，满足设计要求

（4）缸筒径向变形ΔD 应处在允许范围内

ΔD＜密封圈允许范围＝±1.5mm，满足缸筒径向形变要求。

通过改变液压蝶阀齿轮齿条油缸内部活塞结构，增加齿轮两端轴承支撑使齿条变形减小，并经过缸筒强度验算，使整个油缸在额定压力作用下，减小了密封圈的磨损，提升了密封效果和密封圈使用寿命，有效地消除了液压油泄漏的产生。