舒炳林

摘 要： 本文介紹了某彈上氣瓶用單向閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。詳細(xì)論述了該單向閥的閥體、活門(mén)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，及關(guān)鍵件彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算等，最后給出結(jié)論。

關(guān)鍵詞： 單向閥；活門(mén) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引言

單向閥是指依靠介質(zhì)本身流動(dòng)而自動(dòng)開(kāi)、閉閥瓣，只允許流體沿著一個(gè)方向流動(dòng)的閥門(mén)。即用來(lái)防止介質(zhì)倒流的閥門(mén)。因?yàn)椋瑥椛峡臻g限制，氣瓶的壓力高，使用壓力達(dá)到50MPa。因此，本文介紹的單向閥的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于通徑小、背壓高、密封要求高、尺寸緊湊。

1 設(shè)計(jì)要求

公稱(chēng)通徑：φ1mm；工作介質(zhì)：壓縮空氣、氮?dú)?；開(kāi)啟壓力：1MPa；背壓：50MPa；密封要求：反向不泄漏；工作溫度：-40℃～+80℃。

2 總體設(shè)計(jì)方案

單向閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：由進(jìn)氣接嘴1、O形圈2、承力密封墊3、活門(mén)密封墊4、活門(mén)座5、彈簧6、閥體7組成。測(cè)試時(shí)，氮?dú)鈴倪M(jìn)氣接嘴1進(jìn)入閥門(mén)，當(dāng)作用在活門(mén)組件上（件4、件5）的作用力大于大彈簧7的彈簧力時(shí)，活門(mén)組件向右運(yùn)動(dòng)，單向活門(mén)開(kāi)啟，氮?dú)鈴某鰵饪诹鞒?。工作時(shí)，從彈上氣瓶來(lái)的氮?dú)?，從進(jìn)氣口流入單向閥右腔后，直接從出氣口流出，此時(shí)單向閥的背壓高，達(dá)到50MPa。

1-進(jìn)氣接嘴，2-O形圈，3-承力密封墊，4-活門(mén)密封墊，5-活門(mén)座，7-彈簧8-閥體

圖1 單向閥結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 閥體設(shè)計(jì)

因?yàn)閺椛瞎ぷ鞯慕Y(jié)構(gòu)對(duì)重量要求比較高，所以閥體的材料選用比強(qiáng)度高且不需要表面處理的鈦合金TC4。閥體壁厚按第四強(qiáng)度理論計(jì)算。

（1）

式中：SB—閥體設(shè)計(jì)最小壁厚，mm；

DN—閥體密封腔最大直徑，mm；

[σl] —閥體材料的許用應(yīng)力，MPa；

P —使用壓力，MPa；

C—腐蝕裕量，一般取0.2～0.5mm。

計(jì)算可得，SB=1.2mm，取SB=2mm。

2.2 活門(mén)設(shè)計(jì)

活門(mén)座的材料可以選擇不銹鋼、防銹鋁、鈦合金、聚四氟氯乙稀等不需要表面處理的材料。本設(shè)計(jì)采用聚四氟氯乙稀做活門(mén)座，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

a） 密度低，只有2.3×103kg/m3，有利于減重設(shè)計(jì)，在彈上的振動(dòng)環(huán)境下，因其慣性小，更容易保證單向閥的密封性能。

b） 運(yùn)動(dòng)摩擦系數(shù)小，活門(mén)運(yùn)動(dòng)更自如。

c） 硬度低，易于機(jī)加工，采用模壓等加工方式還可以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

活門(mén)密封采用端面密封結(jié)構(gòu)，活門(mén)座上粘接表面光潔度較高橡膠板。而橡膠的具體牌號(hào)的選用要考慮工作介質(zhì)與橡膠的相溶性、腐蝕性，以及橡膠的高低溫性能，本文選用混煉膠1147。由于橡膠的材料柔軟，適合單向閥的開(kāi)啟壓力低的情況下使用。

因?yàn)楸締蜗蜷y的背壓高，僅采用橡膠板端面密封不足以保證其在高壓下的密封性。因此設(shè)計(jì)承力密封墊（件3），與活門(mén)密封墊（件4）形成組合密封結(jié)構(gòu)。當(dāng)活門(mén)在背壓作用下，移動(dòng)一定距離時(shí)，承力密封墊參與密封，并承擔(dān)主要的壓力。因?yàn)槠涑辛^大，宜采用軟鋁、銅和其他軟金屬墊片材料。

2.3 彈簧設(shè)計(jì)

彈簧力取決于活門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中介質(zhì)對(duì)活門(mén)的作用力和單向閥的開(kāi)啟壓力。彈簧力過(guò)小，雖然有利于開(kāi)啟，但關(guān)閉時(shí)可能無(wú)法提供足夠的密封比壓，保證泄漏量滿(mǎn)足要求。彈簧力過(guò)大，可能導(dǎo)致開(kāi)啟壓力不滿(mǎn)足要求、流量達(dá)不到要求、流阻過(guò)大等問(wèn)題。另外，彈簧力的設(shè)計(jì)還應(yīng)保證單向閥在彈上嚴(yán)酷的振動(dòng)、沖擊、過(guò)載環(huán)境下能正常工作。因此彈簧的設(shè)計(jì)是單向閥設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一，彈簧的精確設(shè)計(jì)，可以提高單向閥的開(kāi)啟、關(guān)閉等性能。

根據(jù)單向閥的動(dòng)作過(guò)程，當(dāng)活門(mén)達(dá)到規(guī)定的開(kāi)啟高度時(shí)，介質(zhì)對(duì)活門(mén)的作用力應(yīng)大于或等于此時(shí)的彈簧力，據(jù)此可確定彈簧的最大工作負(fù)載；根據(jù)活門(mén)開(kāi)啟時(shí)的最小動(dòng)作壓力可以確定彈簧的最小工作負(fù)載。經(jīng)計(jì)算，彈簧的最小工作負(fù)載為7N，最大工作負(fù)載為15.5N。

根據(jù)行程、負(fù)載可以進(jìn)行彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。彈簧設(shè)計(jì)可按GB/T1239.6-1992《圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算》進(jìn)行。有的CAD軟件也有專(zhuān)門(mén)的彈簧設(shè)計(jì)模塊，可以很方便的進(jìn)行彈簧設(shè)計(jì)。本文彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

自由長(zhǎng)度：10.5mm；最小工作負(fù)載時(shí)長(zhǎng)度：8.5mm；最大工作負(fù)載時(shí)長(zhǎng)度：6.5mm；彈簧中徑：φ3mm；節(jié)距：1.8mm；簧絲直徑：φ0.5mm。

2.4 密封設(shè)計(jì)計(jì)算

進(jìn)行密封設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)滿(mǎn)足下列條件：

（2）

式中：qb ——必需密封比壓（MPa）；

qmin ——設(shè)計(jì)密封比壓最小值（MPa）；

qmax ——設(shè)計(jì)密封比壓最大值（MPa）；

[q] ——密封材料比壓許用值（MPa）。

（3）

式中：Cs ——密封比壓比，無(wú)量綱；

p——流體的工作壓力（MPa）。

密封比壓比Cs與所允許的泄漏率、密封結(jié)構(gòu)、密封材料性質(zhì)、被密封的流體、密封面的加工質(zhì)量等因素有關(guān)，對(duì)于橡膠等軟材料Cs =0.2～0.5；

故

（4）

式中：F ——活門(mén)軸向力（N）；

D——密封面內(nèi)徑（mm）；

bm ——密封面寬度（mm）。

計(jì)算密封面設(shè)計(jì)比壓最小值時(shí)，不考慮介質(zhì)力，軸向力F 等于彈簧預(yù)緊力。

qmin =3.94MPa，qmin > qb

計(jì)算密封面設(shè)計(jì)比壓最大值時(shí)，軸向力F 等于彈簧預(yù)緊力與介質(zhì)力之和。

qmax =66.4MPa

橡膠許用比壓[q]=5MPa，qmax <[q]，因此僅采用橡膠密封墊，不滿(mǎn)足要求。

采取，橡膠密封墊變形到一定程度后，金屬密封墊參與密封和承載的形式。

此時(shí)，金屬密封面承擔(dān)大部分載荷，忽略橡膠密封墊的作用，認(rèn)為全部載荷由金屬密封墊承擔(dān)。

qmax =65.5MPa

純鋁或銅等軟金屬均可以滿(mǎn)足要求。故單向活門(mén)密封比壓滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

根據(jù)技術(shù)要求，編制了單向閥的技術(shù)條件，進(jìn)行了開(kāi)啟壓力、氣密、強(qiáng)度、加速度、高低溫、濕熱、低氣壓、振動(dòng)、沖擊等試驗(yàn)。各項(xiàng)試驗(yàn)均滿(mǎn)足要求。主要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：

開(kāi)啟壓力：0.7MPa；氣密：50MPa，3min，無(wú)泄漏；強(qiáng)度試驗(yàn)：75MPa，結(jié)構(gòu)無(wú)破壞。

4 結(jié)論

采用軟金屬密封和橡膠密封的組合密封形式，解決了單向閥低開(kāi)啟壓力和高背壓之間的矛盾。通過(guò)單向閥的設(shè)計(jì)計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證表明，所設(shè)計(jì)的單向閥滿(mǎn)足各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]陸培文.閥門(mén)設(shè)計(jì)入門(mén)與精通[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[2]楊源泉.閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[3]房汝洲.實(shí)用閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)知識(shí)出版社.2006.