參照墊片密封及閥座密封比壓原理，從力學(xué)角度建立閥門漏率計(jì)算公式，并以有限元方法建立閥門漏率計(jì)算模型，從而實(shí)現(xiàn)了閥門漏率的初步量化分析和計(jì)算。以充氣閥為例分析閥座結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)閥門密封性能的影響，結(jié)果表明在保證閥門非金屬面沒有破壞的前提下，閥座半徑越小越有利于閥門密封。

　　閥門是火箭增壓輸送系統(tǒng)重要元件，其工作環(huán)境惡劣( 較高的隨機(jī)振動(dòng)量級(jí)，以及較寬的范圍) ，使用要求較高( 高壓、低壓均要求較高的密封性能) 。由于這些嚴(yán)酷的環(huán)境條件，閥門一直是運(yùn)載火箭增壓輸送系統(tǒng)的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，歷史上增壓輸送的多次故障與閥門漏率超標(biāo)直接相關(guān)，而閥門密封性能的優(yōu)劣則取決于閥座、閥芯密封配合副的設(shè)計(jì)。因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認(rèn)為研究閥座結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)閥門密封性能的影響對(duì)提高閥門密封性能及增壓輸送系統(tǒng)可靠性具有重要的實(shí)踐意義。以往閥門閥座密封配合副設(shè)計(jì)( 不僅僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)) ，主要使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主要技術(shù)參數(shù)，再通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和修改完善，這種方法研制周期長(zhǎng)、效率較低。新研型號(hào)閥門介質(zhì)壓力大為提高( 由23MPa 提高到35 MPa) ，且涉及常、低溫，這就更加增大了閥門密封的設(shè)計(jì)難度。

　　本文作者基于理論分析建立閥門漏率計(jì)算模型，并基于有限元分析軟件，分析閥門閥座結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)密封性能的影響，為型號(hào)閥門的研制提供技術(shù)參數(shù)。

1、活閥密封性能的研究方法

　　目前對(duì)于密封性能的研究還處于定性分析階段，設(shè)計(jì)手冊(cè)普遍將密封比壓作為密封優(yōu)劣的判斷標(biāo)準(zhǔn)。但是對(duì)于R 形閥座、變形較大的非金屬密封面而言，其密封壓力具有高度的非線性，且沿活閥徑向密封壓力分布梯度較大，無法用現(xiàn)行的理論公式統(tǒng)一化處理。而對(duì)于密封漏率計(jì)算，墊片的漏率計(jì)算已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，本文作者擬參考?jí)|片漏率的計(jì)算公式，建立閥座漏率計(jì)算的量化模型。對(duì)于墊片密封，其漏率計(jì)算公式為

　　式中: AL、nL為常數(shù); b 為墊片寬度; L 為墊片單位外周長(zhǎng)的泄漏率; σr為接觸壓力; p1為介質(zhì)壓力;p2為環(huán)境壓力; η 為系數(shù)。

　　將閥座密封實(shí)際情況與墊片的漏率計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)閥座的漏率計(jì)算更貼近墊片的漏率計(jì)算公式，與最大接觸壓力成反比，與密封面兩側(cè)壓力的平方差成正比。由此得到閥座密封漏率的近似關(guān)系為

　　式中: AL、nL為系數(shù)，需通過試驗(yàn)測(cè)定; σr為接觸壓力; p1為介質(zhì)壓力; p2為環(huán)境壓力。

　　從式(2) 計(jì)算得到的漏率與閥門漏率的變化趨勢(shì)是一致的，但公式的準(zhǔn)確性還需大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，由于試驗(yàn)工作量大，周期長(zhǎng)，相關(guān)工作還在進(jìn)行中。基于墊片的漏率計(jì)算公式(2) 和傳統(tǒng)的密封比壓設(shè)計(jì)理論，則可以將對(duì)閥門密封性能的研究轉(zhuǎn)化為對(duì)閥座密封結(jié)構(gòu)最大接觸壓力的研究，而密封結(jié)構(gòu)的最大接觸壓力及密封比壓是可以通過有限元軟件對(duì)其進(jìn)行量化分析的。本文作者通過有限元分析軟件，以最大接觸壓力為基礎(chǔ)并結(jié)合密封比壓建立閥門漏率計(jì)算模型，分析閥門結(jié)構(gòu)形式及尺寸對(duì)閥門密封性能的影響，探索閥門密封的量化研究。

2、活閥密封結(jié)構(gòu)的有限元力學(xué)模型

　　在目前常用的密封結(jié)構(gòu)中，閥座基本為金屬材料，活閥密封面為非金屬材料，密封槽為金屬材料。金屬材料的剛度要遠(yuǎn)大于非金屬材料，所以在建模時(shí)，可以將金屬材料結(jié)構(gòu)看作剛體，減少計(jì)算量。另外活閥為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，其載荷、邊界條件也是軸對(duì)稱的，因此可以將活閥簡(jiǎn)化成軸對(duì)稱模型。活閥簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型如圖1 所示。

圖1 活閥軸對(duì)稱力學(xué)模型

3、結(jié)論

　　(1) 參照墊片密封及閥座密封比壓原理，從力學(xué)角度建立了閥門漏率計(jì)算公式，并以有限元方法建立閥門漏率計(jì)算模型，從而實(shí)現(xiàn)了閥門漏率的初步量化分析和計(jì)算。

　　(2) 從分析結(jié)果看，非金屬密封面與閥座的接觸寬度b 并不是常量，它隨著加載時(shí)間是不斷變化的，并且接觸壓力沿徑向梯度較大; 最大接觸壓力隨加載時(shí)間的變化與非金屬密封的實(shí)際工作情況接近;綜合以上因素，本文作者提供的閥門漏率的計(jì)算方法更接近實(shí)際，誤差更小。

　　(3) 在保證閥門非金屬面沒有破壞的前提下，閥座半徑越小越有利于閥門密封。