综采工作面液压控制阀用O形密封圈的失效分析与选型

宋艳亮

(北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京 100013)

0 引言

随着我国采煤技术的快速发展，综采工作面开采技术正由机械化到自动化、智能化转变，目前部分工作面实现了工作面无人操作一人巡视，大大提高了工作效率，但实现工作面无人化、远程智能操作是最终目标，达到这一最终目标必须要保证各种关联设备的可靠性。在综采工作面的安全支护设备是液压支架，液压阀的可靠性是保证液压支架操作可靠性的保证。提高可靠性是一项系统工程，除科学的设计、先进的材料及完善的工艺外，还应注意应用和维护的可靠性，系统的状况监测、故障诊断及降低元件对污染的敏感性[1]。在本文中主要针对综采工作面中液压阀的O形圈相关失效方面进行分析，O形圈以其制造容易、成本低廉、具有良好的密封性而广泛应用在各类机械设备中，包括液压泵类、风机、空气压缩机、搅拌机、石油、化工、机械设备都使用了不同材料的O形圈[2]，同样在综采工作面系统中的液压中也广泛应用，液压阀在应用过程中的失效方式主要是密封失效，导致无效支护或无效操作，无法实现预定功能。如图1和图2所示，密封件的破损或断裂导致液压阀失效，从而致使综采工作面支护或设备无法正常运行而停产，严重时会导致顶板下沉、设备报废、人员伤亡等严重后果。目前为加强对密封件的可靠性测试与寿命测试，技术人员通过将目前先进技术融入到原有检测设备中，利用电脉冲信号控制步进电动机实现角度或直线位移[3]。改造密封件高压及冲击性能试验台在原有的密封件性能试验台上做了进一步的设计改进，为选用密封件提供了一定的依据[4]。

图2 密封圈断裂

1 影响液压阀密封圈寿命的因素

O形密封圈是一种可对两个方向起密封作用的密封元件，因其结构简单、制造容易、密封性能好、摩擦力小、沟槽尺寸小、易制造等优点，广泛应用于液压与气动元件中[5]。

如图3所示，其工作原理为当O形圈安装在液压阀的沟槽中其径向或轴向预压缩赋予O形圈自身的初始密封能力，它随工作介质压力的提高促使其变形并提高其密封效果，如工作介质压力降到0时，变形恢复到安装的原始压缩状态。

综采工作面液压控制阀所用工作介质多为水基的，与其他工程机械用油介质液压阀有所不同，因地域不同、设备应用环境不同、设备管理形式不同，引起液压阀密封件失效的原因有多种，主要有密封槽尺寸不合格、配合间隙过大或过小、零件表面粗糙度差、密封件选型不合格、介质乳化液配比浓度低、水质具有较强腐蚀性、密封件选型不符合要求等因素。

1.1 密封槽尺寸影响

矩形沟槽是O形圈常用的一种安装形式，矩形槽的两侧都可以作为与O形圈的配合面，进而承受另一侧的工作介质压力，起到密封作用。矩形槽的空间大小决定了O形圈的初始压缩量及变形状态，矩形槽容积过小则初始压缩量过大，造成装配不方便且在装配过程中容易损伤O形圈，造成密封圈过度压缩或装配过程中“切圈”；如果容积过大则压缩量较小，虽然装配时比较容易，但会造成O形圈的预压缩强度降低，容积过大或过小都会造成密封效果和使用寿命降低。

1.2 配合间隙影响

配合间隙是指两个具有密封要求元件之间的安装间隙，从图3中可以看出，O形圈在工作介质的压力作用下向无压力侧被挤压，O形圈是本身材质较软则向一切可以填充的区域运动，则O形圈变形部分将被挤入间隙中，如果间隙过大会导致O形圈被挤出矩形槽或部分端面被挤掉，造成密封件使用寿命降低或密封失效。配合间隙过小虽然利于提高O形圈的使用寿命，但也提高了配合零部件的加工精度和装配工艺要求，经济性降低。

另外在运用O形圈时一并与挡圈配套应用，挡圈的配合尺寸过大同样也会造成O形圈的损伤。如图4所示。

图4 间隙过大造成切圈

1.3 零件表面粗糙度影响

无论采用哪种加工方法所获得的零件表面，都不是绝对平整和光滑的，其表面都有微观的峰谷不平的痕迹，如图5所示。由于O形圈在矩形槽中受工作介质的压力会在矩形槽中和配合轴的表面上往复运动，同时O形圈受压力作用，变形部分被挤压到峰谷不平的“谷”中，在往复运动过程中，峰谷不平的表面就像利器损伤O形圈的表面，零件表面粗糙度越大，则对O形圈的损伤越严重，尤其是对于高压动密封。

图5 零件表面

1.4 密封件选型的影响

由于工作介质的不同及工作介质的压力不同，对密封件的选型也有所不同。O形圈一般由丁晴橡胶、氟橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、特殊合成橡胶等材料制造，不同的材料有不同的特性，且同一材料根据制造工艺不同又有不同的硬度区分，分别适用于不同的工作介质、工作温度、工作压力工况。以丁晴橡胶为例，该材料可以适用于大部分的液压阀，但在不同的工作压力情况下要选择不同硬度的O形圈，NBR70硬度的O形圈适用于15 MPa以下的压力情况，如：在31.5 MPa或更高的压力工况下应用，液压阀的使用寿命不到10 000次就密封失效。对于高温的综采工作面如选用常规的O形圈进行密封，则使用寿命会大大降低。

1.5 工作介质的影响

虽然O形圈密封材料适应范围比较广，但也有一定的局限性。对于酸碱性太大的工作介质，密封件的使用寿命会受影响，一方面是工作介质对O形圈材料的腐蚀，促使O形圈加速老化；一方面是酸碱性太大的工作介质对配合零件的腐蚀，造成零件表面粗糙度降低，加速对O形圈的磨损。目前，有些工作面为降低运行成本降低液压阀介质的浓度,造成运动副润滑不足，加剧了密封件的磨损，个别工作面在进行介质的配比前未进行充分验证，致使介质出现析出物，堵塞了过滤器且影响了阀芯的运动灵活性。

2 液压阀密封副选择

在进行液压阀的密封副设计时，首先要明确产品应用的工作介质条件，选择密封件时，对于其本身的要求需满足：在一定的压力、温度范围内具有良好的密封性能，并留出不小于20%以上的安全空间；密封装置和运动件支架的摩擦力要小，摩擦因数要稳定；基体要求抗腐蚀能力强，不易老化，工作寿命长，耐磨性好；整体结构简单，适用、维护方便，价格低廉。

2.1 O形圈尺寸和材料硬度的选择

为了达到最好的密封效果，所选O形圈的截面直径尽可能选大的，在动密封应用场合中，考虑到尺寸公差的因素，同一内径时选用较大的截面直径是较好的方案，在相同压缩量条件下，较大截面直径的O形圈使用寿命较长；而在静密封应用场合中，较大截面直径使用时比较小界面直径的使用寿命长。对于压力越高的工况，所选择的密封件硬度就越高，可以提高密封可靠性及使用寿命，同样工况下，动态工况下密封圈的强度要高于静态工况下密封圈的强度。

2.2 O形圈压缩量的选择

O形圈在安装矩形槽中的初始压缩量是对保证它的初始密封及工作过程中的密封功能的关键，并不是初始压缩量越大越好，初始压缩量越大，启动摩擦力越大，对于有响应时间要求的阀芯开启是不利的。在液压阀中选用常规的O形密封圈进行密封时，初始压缩量建议如下：

静密封为15%～30%；动密封为10%～18%。

如选用硬度比较高的密封圈，则需要根据液压阀性能要求进行设计选择合适的压缩量，除了进行理论计算，最好进行实验验证，如按常规O形圈压缩量设计，摩擦力会比较大，影响了液压阀的响应速度及整体性能。

2.3 矩形槽的设计

根据常规经验，O形圈安装所用的矩形槽面积应为O形圈截面面积的1.25倍，如有挡圈则需另外增加挡圈的空间。这样当O形圈体积增大时，矩形沟槽就有足够空间来适应。同时，工作介质的压力作用于O形圈表面，可以提高所需接触压力以达到较好的密封效果。

矩形槽的侧面可以加工成倾斜5°以内的倾角，但如果用挡圈则侧面必须垂直。矩形槽中与O形圈有相互作用力的地方，粗糙度要求达到Ra 1.6以上，非作用力面要达到Ra 3.2以上。

如选用挡圈与O形圈配合应用，则要求挡圈与基体的配合间隙不能过大，间隙应控制在0.1 mm以内。

2.4 工作介质的选择

为提高液压阀的使用寿命，建议对液压阀的工作介质提出一定的要求，要求低腐蚀性，浓度大于一定值且避免有析出物，并具有一定的润滑防锈蚀能力，既保证了相对运动的润滑，同时又对基体进行了防锈处理，可以提高密封件的使用寿命，做到液压阀应用的可靠性。

3 密封件组装注意事项

随着综采工作面的大规模应用，液压阀的需求量也逐渐增大，原有的手工装配形式已不能满足要求，且手工装配质量受人为因素影响比较大，长时间装配密封圈会造成人员的视觉疲劳，最终导致漏装或位置装错，从而造成液压阀产品的性能不合格。在组装O形圈时避免用尖锐的工具进行引导或调整，O形圈上及对应的阀体密封区域内喷涂一定的油液进行润滑，保证O形圈的顺利过渡与装配到位。

4 结论

由于各地乳化液介质、工作压力、工作面应用环境不同，同一种液压阀在不同的地区应用效果差别可能比较大，如果综合各地液压阀工作环境要求选择合适的密封件与密封形式，提高液压阀设计的安全系数，在一定程度上虽然增加了产品成本，但可以扩大产品的适用范围，提高产品的可靠性，缩小不同地区的应用差异，保证综采工作面支护设备的可靠性操作，为实现无人化、远程智能操作奠定基础。