姚一杰

（日豐企業(yè)集團有限公司，廣東佛山528137）

閥門設(shè)計基本理論研究與探討

姚一杰

（日豐企業(yè)集團有限公司，廣東佛山528137）

針對閥門設(shè)計的“設(shè)計輸入及驗證輸出”“設(shè)計思維5大因素”“設(shè)計的失效模式分析”等基本理論進行研究，探索了閥門設(shè)計的關(guān)鍵思路、關(guān)鍵理念，提高了閥門設(shè)計水平，促進了產(chǎn)品設(shè)計社會效益、經(jīng)濟效益的提升。

設(shè)計思維；失效模式；泄漏；原材料

閥門是流體管路的控制裝置，其基本功能是接通或切斷管路介質(zhì)的流通，改變介質(zhì)的流動方向，調(diào)節(jié)介質(zhì)的壓力和流量，保護管路設(shè)備的正常運行。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，閥門需求量不斷增長。由于閥門的用量龐大，由各種原因造成的閥門泄漏，不僅對環(huán)境造成了嚴重影響，也造成嚴重的原材料和產(chǎn)品的浪費，有時還會引起嚴重的安全事故。

設(shè)計不良是造成閥門泄漏最為重要的因素。由于碰傷、劃傷引起的泄漏一般是個別現(xiàn)象，如果設(shè)計考慮不周而形成的泄漏，往往是不易發(fā)現(xiàn)的批量問題。從某種意義上講，一個好的設(shè)計方案可以避免很多質(zhì)量問題。因此，研究閥門設(shè)計理論、提高閥門設(shè)計水平非常必要，具體如圖1所示。

圖1 閥門設(shè)計基本理論圖

1 設(shè)計輸入及驗證輸出

“設(shè)計輸入及驗證輸出”是閥門設(shè)計的重要基本理論，設(shè)計輸入是否充分、完善、明確，直接影響著設(shè)計方案的驗證輸出效果。在進行產(chǎn)品設(shè)計之前，必先明確設(shè)計輸入內(nèi)容，而設(shè)計輸入又要通過產(chǎn)品測試逐一驗證，確保在設(shè)計方案中充分體現(xiàn)。在實際設(shè)計中，往往出現(xiàn)了在沒有完全弄清設(shè)計輸入的情況下，匆忙展開設(shè)計活動，導(dǎo)致結(jié)果差強人意，造成大量資源的浪費。

設(shè)計輸入，即明確產(chǎn)品設(shè)計的各種要求，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：①明確產(chǎn)品的使用環(huán)境，比如工作介質(zhì)、工作壓力、工作溫度等。②功能要求。即開發(fā)什么功能和用途的產(chǎn)品，確定開發(fā)設(shè)計的閥門類型、型號、規(guī)格、連接方式、驅(qū)動方式等基本信息。③性能要求。確認產(chǎn)品需要符合的標準條款、法律法規(guī)、認證要求、性能指標等。④參照信息。收集新品開發(fā)所參照類似品的經(jīng)驗信息。⑤產(chǎn)品定位。確定產(chǎn)品檔次、顧客群體。⑥附加要求。即銷售或顧客提出的其他要求，比如成本要求、打印LOGO信息等。

2 設(shè)計思維因素

閥門設(shè)計是一個綜合考慮工藝、裝配、功能、性能、成本等因素的綜合思維活動，工藝、裝配是保障，功能是目的，性能、成本是優(yōu)化指標。只有綜合考慮各種因素，才能設(shè)計出比較令人滿意的設(shè)計方案。

設(shè)計的工藝因素即閥門設(shè)計應(yīng)充分考慮工藝的實現(xiàn)性，可以實現(xiàn)質(zhì)量穩(wěn)定的批量生產(chǎn)。為了方便工藝實現(xiàn)，對產(chǎn)品類似結(jié)構(gòu)特征，可以進行標準化設(shè)計，便于刀量夾具的借用。

設(shè)計的裝配因素即設(shè)計方案的多個零件能順利實現(xiàn)組裝，互相組裝的零件要有裝配面（內(nèi)六角或外六角），盡量選用便于裝配的零件結(jié)構(gòu)（比如裝配不需區(qū)分安裝方向的對稱結(jié)構(gòu)等）。對于尺寸相近的零件，盡量做成共用件，方便管理；對于無法共用的零件，做出區(qū)別，避免混料。

設(shè)計的功能因素即開發(fā)產(chǎn)品所實現(xiàn)的基本功能，比如截止、調(diào)節(jié)、導(dǎo)流、防止逆流、穩(wěn)壓、分流或溢流泄壓等功能。此外，閥門產(chǎn)品應(yīng)盡量操作簡單，同時，便于安裝拆卸、維護更換，對于調(diào)節(jié)類閥門，還應(yīng)設(shè)計防誤操作功能。

設(shè)計的性能因素即產(chǎn)品的使用安全性、可靠性，不會對使用者、使用環(huán)境造成損傷，具備一定的強度要求，比如機械性能（扭矩、彎矩）、耐壓性能（低壓、高壓）、耐溫性能（高溫、低溫、冰凍）、疲勞強度（冷熱水循環(huán)、抗脈沖性、壽命）、環(huán)境模擬適用性等。設(shè)計的成本因素，即實現(xiàn)技術(shù)功能、滿足預(yù)定技術(shù)性能要求的同時，盡量優(yōu)化結(jié)構(gòu)，用盡量少的零件個數(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征，用盡量簡單的加工工藝實現(xiàn)零件加工生產(chǎn)，降低工程造價和產(chǎn)品價格，對社會產(chǎn)生積極作用（避免環(huán)境污染，維護生態(tài)平衡，促進生產(chǎn)力發(fā)展）。

3 失效模式分析

風險點評估或稱設(shè)計的失效模式分析，主要是研究產(chǎn)品失效可能帶來的后果，由此而形成的損失，通過分析，采取防范措施，以盡可能地減少或降低失效后果。在風險評估時，需重點確認設(shè)計輸入是否完善，設(shè)計方案是否存在薄弱環(huán)節(jié)，密封結(jié)構(gòu)是否可靠，找出可能存在的風險點予以優(yōu)化。

泄漏是最常見的閥門失效形式，導(dǎo)致閥門泄漏的主要原因有連接失效、殼體泄漏、密封失效等。連接失效通常表現(xiàn)為連接螺紋過短、螺牙過細或連接部位壁厚過薄形成的強度不夠，使用一段時間后出現(xiàn)連接失效泄漏，需加強連接部位的強度設(shè)計。殼體泄漏多為工藝缺陷（比如砂眼）或加工內(nèi)應(yīng)力所致，需要改善加工工藝，增加去應(yīng)力退火等；對于水閥結(jié)冰爆裂失效，還要從使用和系統(tǒng)運用角度上進行改良（增加防凍閥）。

密封失效主要和密封面損傷、密封結(jié)構(gòu)有關(guān)，需要加強密封面的防護，改善密封結(jié)構(gòu)設(shè)計。閥門常用密封結(jié)構(gòu)有O形圈密封，墊片密封、硬密封等。O形圈密封作為一種低廉成本，適用于裝在各類閥門中，在規(guī)定的溫度、壓力以及不同的液體和氣體介質(zhì)中，于靜止或運動狀態(tài)下起密封保護作用，是最常用的密封方式。O形圈密封是典型的擠壓型密封，在O形圈密封結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)工作介質(zhì)、密封環(huán)境確定適合的O形圈材質(zhì)和硬度，并合理設(shè)計密封壓縮率、拉伸量、槽寬（一般如表1所示，表中d為O形圈線徑）、最大允許擠出間隙、安裝倒向角等。墊片多用于2個零件連接端面的密封，通常需設(shè)計防丟結(jié)構(gòu)（圖2中的a）、防止墊片過度壓縮的限位結(jié)構(gòu)（圖2中的b）。

密封副的兩側(cè)均采用金屬材料或較硬的其他材料的密封方式，稱為硬密封。硬密封多用于調(diào)節(jié)流體阻力或高溫密封場合，具有耐高溫、抗磨損、機械性能好等優(yōu)點，但密封效果相比軟密封較差，對密封副的加工同軸度要求高，密封面一般需要退火處理。

4 結(jié)束語

閥門設(shè)計時，應(yīng)充分明確設(shè)計輸入要求，確定產(chǎn)品型號，在產(chǎn)品設(shè)計時綜合考慮各種因素，通過風險分析，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，盡可能地減少或降低失效風險，提高閥門產(chǎn)品質(zhì)量。

表1 O形圈設(shè)計主要參數(shù)

圖2 墊片密封結(jié)構(gòu)

［1］張曉，余曉明，朱祥政，等.球閥球體與閥桿一體化設(shè)計與分析［J］.機械制造，2014（01）.

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［3］張強生，汪信遠.運用設(shè)計方法學思想進行閥門方案設(shè)計［J］.閥門，1994（02）.

［4］羅利梅.橡膠O形密封圈在球閥中的應(yīng)用分析［J］.機械研究與應(yīng)用，2014（05）.

〔編輯：張思楠〕

TU984.113

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10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.148

2095－6835（2017）14－0148－02