摘要：分析了吹灰器閥門座圈與閥體之間的硬密封泄漏問題的成因，提出了一種改進(jìn)座圈結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案及工藝規(guī)范;并設(shè)計(jì)了座圈拉出裝置，對(duì)少部分不良品進(jìn)行返修再利用，總體上達(dá)到了較高的一次性合格率和返修利用無浪費(fèi)的效果。

關(guān)鍵詞：吹灰器閥門;硬密封;閥門座圈

1? ? 閥門結(jié)構(gòu)及工作原理

一種吹灰器閥門結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由閥體、座圈、錐面閥桿、盤根組、導(dǎo)套、盤根壓套、彈簧、閥帽等組成。外力作用于閥帽，將彈簧壓縮，閥桿下行，閥桿下端的密封錐面和閥門座圈分離，閥門打開，流體介質(zhì)從下端孔進(jìn)入，經(jīng)座圈孔，從上左端孔流出。撤去外力后，在彈簧的作用下，閥桿位置復(fù)原，閥門關(guān)閉。

2? ? 問題概述與分析

在生產(chǎn)和使用過程中，這種吹灰器閥門經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)閥體與座圈之間漏水的問題。經(jīng)分析，漏水的主要原因是該閥門工作環(huán)境溫度在350 ℃左右，使用過程中承載壓力較大，惡劣的工作環(huán)境不允許用類似于O型圈的軟密封材料，故兩者之間的密封只能采用硬密封的形式。設(shè)計(jì)中該閥門座圈材料選擇了耐磨、耐高溫、耐腐蝕且強(qiáng)度高的司太立硬質(zhì)合金材料，閥體選擇了耐熱鋼材料。選擇這兩種材料雖然可以滿足使用環(huán)境的要求，但必須解決兩者之間的密封配合問題。為了解決座圈和閥體之間的硬密封問題，需要從座圈和閥門座圈孔的結(jié)構(gòu)及工藝等方面來解決。

3? ? 座圈結(jié)構(gòu)及可替代方案分析

解決座圈漏水問題首先考慮座圈的結(jié)構(gòu)是否有更加適合的替代方案，這里列出兩個(gè)方案進(jìn)行分析。

3.1? ? 方案一

在座圈位置采用堆焊一層高硬度合金材料來替代座圈，焊接好后再按照座圈密封要求加工即可，這樣座圈就和閥體成為一個(gè)整體，漏水問題也就解決了。

但是隨之也帶來了一些焊接問題，首先，座圈這個(gè)位置空間比較小，焊接操作困難;其次，閥體的材料是耐熱鋼，焊接性能較差，焊接會(huì)帶來更多的焊接缺陷及潛在的危害等，并且焊后的焊縫探傷因位置原因不好操作。

另外，在高溫、高壓環(huán)境下使用的閥門是不允許存在焊接缺陷的，這樣潛在危險(xiǎn)性很大，所以采用焊接的方法并不合適。

3.2? ? 方案二

采用螺紋連接的方法。首先，要在閥體座圈孔的位置加工出螺紋，螺紋要有一定的長度，所以閥體座圈孔位置的鑄件厚度要增加;其次，座圈外圈要加工螺紋，增加翻邊法蘭，法蘭上還要加工擰緊螺紋的卡槽。

另外，螺紋的密封性是比較差的，不能靠擰緊螺紋來形成有效的長期密封，那么就要增加密封墊片。由于該閥門的使用工況條件比較惡劣，不能用類似橡膠的密封墊，要采用變形小、耐高溫的金屬復(fù)合型墊片。

總體來看，如果改為螺紋連接，結(jié)構(gòu)變化太大，使得整體結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，并且會(huì)產(chǎn)生新的密封問題，座圈結(jié)構(gòu)變化造成體積增大，重量增加，生產(chǎn)工藝變得更復(fù)雜，且由于該座圈材料的價(jià)格較高，成本也會(huì)大幅增加，所以該方案也不太合適。

考慮到各方面因素，采用圖1的座圈結(jié)構(gòu)最為簡單，適合該結(jié)構(gòu)的閥門，那么就從座圈和閥門座圈孔的過盈配合量的選定，密封接觸面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，接觸密封面的粗糙度及壓裝工藝等方面來重點(diǎn)考慮。

4? ? 過盈量選擇

過盈量與密封性能并沒有直接的等量關(guān)系，只能在保證其他前提條件不變的情況下，對(duì)特定產(chǎn)品進(jìn)行取樣實(shí)驗(yàn)，再找出合適的過盈配合量。根據(jù)該閥門結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，座圈結(jié)構(gòu)簡單，壁薄，整體厚度小。壁薄就容易在較大的壓力下引起變形，也就是說配合過盈量過大，壓裝后就會(huì)造成座圈變形，反而更容易引起泄漏，再加上座圈材料硬度高、塑性差，過盈量過大可能會(huì)出現(xiàn)裂紋損壞。如果配合過盈量太小，再考慮到加工公差因素的影響，密封的批量穩(wěn)定性就會(huì)降低。另外，座圈厚度小，從裝配結(jié)構(gòu)上看，座圈與閥體座圈孔的接觸面積就小，對(duì)接觸面的要求相對(duì)較高。

選取準(zhǔn)備樣本，以閥體座圈孔為基準(zhǔn)作為不變因素，把閥座的外徑作為變量選取樣本，閥體座圈孔做成統(tǒng)一尺寸，公差保持在0.01 mm內(nèi)，然后配座圈的外徑，從過盈量0.05 mm開始，每增加0.01 mm為一組，每組選取5個(gè)樣本，每個(gè)配對(duì)樣本均以實(shí)測數(shù)值為準(zhǔn)。另外，配合面的粗糙度也嚴(yán)重影響密封性，故對(duì)兩個(gè)接觸密封面的粗糙度做了相對(duì)較嚴(yán)的要求：閥體座圈孔R(shí)a=1.6，座圈外圓Ra=0.4，閥體座圈孔要求精鏜加工，座圈要求磨削加工外圓。

5? ? 座圈壓入倒角設(shè)計(jì)

由于座圈厚度較小，故此壓入倒角設(shè)計(jì)不能太大，選擇小于1 mm，以保證座圈和閥體座圈孔有足夠的接觸面積，座圈和閥體座圈孔的過盈配合量，在小于1 mm的45°倒角情況下壓裝，很可能座圈與閥體座圈孔對(duì)不齊錯(cuò)位，造成壓偏，最終導(dǎo)致泄漏或直接壓廢。因此，采用了如圖2所示的雙倒角設(shè)計(jì)，以增加壓入倒角，更好地引導(dǎo)座圈順利進(jìn)入閥體座圈孔。另外，45°倒角外口不能倒鈍，如圖2中的文字標(biāo)注，這樣做的目的是避免閥體座圈孔內(nèi)可能存在的毛刺被擠壓進(jìn)密封面內(nèi)，造成泄漏。如果有毛刺，在壓裝時(shí)座圈倒角的棱角會(huì)將其切除，推到底面倒角的空隙配合處，保證密封面的完全吻合接觸。

6? ? 壓裝

先將閥體倒立，放在支架上，架住閥體進(jìn)氣口大法蘭，然后將座圈套在芯棒上，芯棒套座圈的位置裝有一個(gè)O型圈，裝O型圈的目的是增大O型圈與座圈之間的摩擦力，座圈套上去后，在重力的作用下不會(huì)滑脫。座圈套在芯棒上后，再從閥體進(jìn)氣口法蘭處插入閥體，慢慢放到閥體座圈孔位置，調(diào)正，壓力機(jī)慢慢加壓，壓裝速度要慢，分段多次，下壓過程中芯棒多旋轉(zhuǎn)幾個(gè)角度壓下，以求平穩(wěn)，同時(shí)要壓到底，且在壓裝時(shí)在座圈外圓上涂少許潤滑油。

7? ? 試壓測試

座圈壓入閥門座圈孔，然后進(jìn)行測試。用一個(gè)錐面閥桿鍛件原材料，按照閥桿尺寸加工一個(gè)測試桿，只是在密封位置車削加工一個(gè)臺(tái)階和凹槽，裝上O型圈，如圖3所示。然后如圖1用測試桿替代閥桿裝配起來。測試桿上的O型圈緊貼住座圈的平面，測試桿在彈簧的拉力作用下將座圈密封住。另做一法蘭（圖4），密封閥體下端圓孔，法蘭中間留進(jìn)水孔，法蘭臺(tái)階上的凹槽裝上O型圈，裝在閥體進(jìn)氣口法蘭上，法蘭臺(tái)階與閥體內(nèi)孔用O型圈密封，再用螺栓將法蘭與閥體進(jìn)口法蘭鎖緊，法蘭中心裝有接頭，與高壓水源連接，水壓3.5 MPa，然后加水壓測試3 min，觀察是否有水從座圈和閥體之間滲出，或者觀察壓力表的變化。當(dāng)壓力表達(dá)到測試壓力3.5 MPa時(shí)，關(guān)閉高壓水源，3 min后，再觀察壓力表的變化情況。對(duì)樣本的測試結(jié)果如表1所示，根據(jù)測試結(jié)果選取合適的過盈量0.08～0.12 mm。再根據(jù)之前選擇的公差等級(jí)，確定閥門座圈孔和座圈的外徑公差尺寸。

8? ? 座圈拉出設(shè)計(jì)

在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，仍有1%～2%的閥座與閥體間存在泄漏現(xiàn)象，直接報(bào)廢會(huì)產(chǎn)生極大的浪費(fèi)，因此，設(shè)計(jì)了座圈拉出裝置，如圖5所示（3號(hào)零件主體被設(shè)為透明狀態(tài)，所以才能看到4、5、6號(hào)零件）。

6號(hào)零件拉爪與小臺(tái)階的間距和座圈厚度間隙配合，間隙放到0.5 mm。另外，閥體座圈孔上面孔的孔徑和座圈內(nèi)孔的孔徑是一樣的，拉爪伸過座圈后，拉爪無法彈出，卡不住座圈，因此將閥體座圈孔上面孔的孔徑加大，比座圈內(nèi)孔大0.8 mm。這樣拉爪伸過座圈后能夠彈出卡住座圈。

拉爪上方的3號(hào)零件主體的臺(tái)階法蘭起到限位作用，臺(tái)階法蘭會(huì)卡到座圈平面上，限制該裝置深入閥體過深，避免拉爪卡在閥體孔上面無法取出。這樣在使用時(shí)將該裝置從閥體下端進(jìn)口法蘭孔伸入（7號(hào)零件在此時(shí)拉出暫時(shí)卸去不用），穿過座圈后拉爪自動(dòng)彈出，卡住座圈底面，拉出裝置上面的2號(hào)零件法蘭放在閥體法蘭上面，然后旋轉(zhuǎn)螺母，將座圈拉出。

座圈拉出后套在裝置上，一側(cè)是3號(hào)零件的臺(tái)階法蘭，另一側(cè)是6號(hào)零件拉爪擋著，取出不便，這時(shí)用7號(hào)零件環(huán)套在3號(hào)零件下端，向上推拉爪，拉爪收縮，7號(hào)零件環(huán)套和座圈貼合在一起，然后拉住座圈，將座圈和環(huán)套一起取出。在后續(xù)的批量生產(chǎn)中，閥體和座圈再各自單獨(dú)配對(duì)使用即可。

9? ? 結(jié)語

該吹灰器通過座圈和閥體座圈孔的過盈間隙、座圈壓入倒角設(shè)計(jì)及座圈拉出復(fù)用，達(dá)到了較高的一次性合格率和產(chǎn)品返修利用無浪費(fèi)的效果。

收稿日期：2021-01-11

作者簡介：朱軍（1976—），男，陜西咸陽人，機(jī)械制造工程師，研究方向：機(jī)械制造。