舒炳林

摘 要： 本文介紹了某彈上氣瓶用單向閥的結構特點。詳細論述了該單向閥的閥體、活門的結構設計，及關鍵件彈簧的設計計算等，最后給出結論。

關鍵詞： 單向閥；活門 結構設計

引言

單向閥是指依靠介質(zhì)本身流動而自動開、閉閥瓣，只允許流體沿著一個方向流動的閥門。即用來防止介質(zhì)倒流的閥門。因為，彈上空間限制，氣瓶的壓力高，使用壓力達到50MPa。因此，本文介紹的單向閥的設計難點在于通徑小、背壓高、密封要求高、尺寸緊湊。

1 設計要求

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

2 總體設計方案

單向閥結構示意圖如圖1所示：由進氣接嘴1、O形圈2、承力密封墊3、活門密封墊4、活門座5、彈簧6、閥體7組成。測試時，氮氣從進氣接嘴1進入閥門，當作用在活門組件上（件4、件5）的作用力大于大彈簧7的彈簧力時，活門組件向右運動，單向活門開啟，氮氣從出氣口流出。工作時，從彈上氣瓶來的氮氣，從進氣口流入單向閥右腔后，直接從出氣口流出，此時單向閥的背壓高，達到50MPa。

1-進氣接嘴，2-O形圈，3-承力密封墊，4-活門密封墊，5-活門座，7-彈簧8-閥體

圖1 單向閥結構示意圖

2.1 閥體設計

因為彈上工作的結構對重量要求比較高，所以閥體的材料選用比強度高且不需要表面處理的鈦合金TC4。閥體壁厚按第四強度理論計算。

（1）

式中：SB—閥體設計最小壁厚，mm；

DN—閥體密封腔最大直徑，mm；

[σl] —閥體材料的許用應力，MPa；

P —使用壓力，MPa；

C—腐蝕裕量，一般取0.2～0.5mm。

計算可得，SB=1.2mm，取SB=2mm。

2.2 活門設計

活門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。本設計采用聚四氟氯乙稀做活門座，有以下幾個優(yōu)點：

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

b） 運動摩擦系數(shù)小，活門運動更自如。

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

活門密封采用端面密封結構，活門座上粘接表面光潔度較高橡膠板。而橡膠的具體牌號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，適合單向閥的開啟壓力低的情況下使用。

因為本單向閥的背壓高，僅采用橡膠板端面密封不足以保證其在高壓下的密封性。因此設計承力密封墊（件3），與活門密封墊（件4）形成組合密封結構。當活門在背壓作用下，移動一定距離時，承力密封墊參與密封，并承擔主要的壓力。因為其承力較大，宜采用軟鋁、銅和其他軟金屬墊片材料。

2.3 彈簧設計

彈簧力取決于活門開關過程中介質(zhì)對活門的作用力和單向閥的開啟壓力。彈簧力過小，雖然有利于開啟，但關閉時可能無法提供足夠的密封比壓，保證泄漏量滿足要求。彈簧力過大，可能導致開啟壓力不滿足要求、流量達不到要求、流阻過大等問題。另外，彈簧力的設計還應保證單向閥在彈上嚴酷的振動、沖擊、過載環(huán)境下能正常工作。因此彈簧的設計是單向閥設計的關鍵之一，彈簧的精確設計，可以提高單向閥的開啟、關閉等性能。

根據(jù)單向閥的動作過程，當活門達到規(guī)定的開啟高度時，介質(zhì)對活門的作用力應大于或等于此時的彈簧力，據(jù)此可確定彈簧的最大工作負載；根據(jù)活門開啟時的最小動作壓力可以確定彈簧的最小工作負載。經(jīng)計算，彈簧的最小工作負載為7N，最大工作負載為15.5N。

根據(jù)行程、負載可以進行彈簧的結構參數(shù)設計。彈簧設計可按GB/T1239.6-1992《圓柱螺旋彈簧設計計算》進行。有的CAD軟件也有專門的彈簧設計模塊，可以很方便的進行彈簧設計。本文彈簧結構參數(shù)如下：

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

2.4 密封設計計算

進行密封設計時，應滿足下列條件：

（2）

式中：qb ——必需密封比壓（MPa）；

qmin ——設計密封比壓最小值（MPa）；

qmax ——設計密封比壓最大值（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、密封結構、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，對于橡膠等軟材料Cs =0.2～0.5；

故

（4）

式中：F ——活門軸向力（N）；

D——密封面內(nèi)徑（mm）；

bm ——密封面寬度（mm）。

計算密封面設計比壓最小值時，不考慮介質(zhì)力，軸向力F 等于彈簧預緊力。

qmin =3.94MPa，qmin > qb

計算密封面設計比壓最大值時，軸向力F 等于彈簧預緊力與介質(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，金屬密封面承擔大部分載荷，忽略橡膠密封墊的作用，認為全部載荷由金屬密封墊承擔。

qmax =65.5MPa

純鋁或銅等軟金屬均可以滿足要求。故單向活門密封比壓滿足設計要求。

3 試驗驗證情況

根據(jù)技術要求，編制了單向閥的技術條件，進行了開啟壓力、氣密、強度、加速度、高低溫、濕熱、低氣壓、振動、沖擊等試驗。各項試驗均滿足要求。主要達到的技術指標如下：

開啟壓力：0.7MPa；氣密：50MPa，3min，無泄漏；強度試驗：75MPa，結構無破壞。

4 結論

采用軟金屬密封和橡膠密封的組合密封形式，解決了單向閥低開啟壓力和高背壓之間的矛盾。通過單向閥的設計計算和試驗驗證表明，所設計的單向閥滿足各項設計要求。

參考文獻

[1]陸培文.閥門設計入門與精通[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[2]楊源泉.閥門設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[3]房汝洲.實用閥門設計手冊[M].北京：中國知識出版社.2006.