1、概述

　　近年來隨著加工工藝技術(shù)的發(fā)展,球面密封結(jié)構(gòu)截止閥在航天試驗系統(tǒng)中得到了廣泛應用。航天氫氧火箭發(fā)動機試驗系統(tǒng)(以下簡稱試驗系統(tǒng))有些部分處于低溫或高壓工作環(huán)境中,操作介質(zhì)主要有液氧、液氮和液氫等低溫介質(zhì)及其他一些易燃有毒介質(zhì)。所以試驗系統(tǒng)中閥門的閥座一般采用不銹鋼或鋁合金等耐低溫材料,而閥瓣一般采用F4、F46、聚酰亞胺或銅合金等材料。由于非金屬密封材料在高壓下工作時泄漏嚴重,所以試驗系統(tǒng)中廣泛應用了金屬密封結(jié)構(gòu)。本文以閥瓣為銅合金球形結(jié)構(gòu),閥座為不銹鋼錐形結(jié)構(gòu)的氣動截止閥為例,介紹截止閥氣缸力計算方法。

2、密封機理

　　在截止閥中為保證流體的密封性,必須在密封表面間有一個相互作用的力(圖1) ,即在密封表面上產(chǎn)生一定的比壓,引起密封面微觀不平度的變形,如果變形是在材料的彈性極限范圍內(nèi),并造成不大的殘余變形,那么接觸面上的比壓大于必須比壓時,即可以保證其密封性。而在球面密封中,球面與錐面在氣缸力作用下,根據(jù)接觸表面的粘著理論,在簡單載荷作用下真實接觸點上的接觸應力足以產(chǎn)生塑性變形,形成小的平面接觸直到接觸面承受全部載荷為止。由于銅合金球面的屈服強度比不銹鋼閥座的屈服強度低,易于發(fā)生塑性變形。所以球面密封的形成過程就是球面和錐面之間相互接觸發(fā)生彈塑性變形的過程,變形材料的塑性流動使接觸面上的微觀空隙逐漸填滿,達到密封效果。

圖1　錐形閥座結(jié)構(gòu)和作用力

3、氣缸設(shè)計

　　在氣源壓力一定時截止閥的氣缸力主要與氣缸內(nèi)徑有關(guān),氣缸內(nèi)徑主要與閥桿的受力有關(guān)。截止閥閥桿軸向受力有介質(zhì)靜壓力QMJ、密封力QMF、摩擦力QT 和閥桿自重G等。對閥桿進行初期受力分析時,可以忽略摩擦力和自重的影響,待氣缸內(nèi)徑確定后再復驗氣缸力是否能夠克服摩擦力。介質(zhì)靜壓力在閥門口徑、壓力和密封結(jié)構(gòu)確定的條件下為已知力,密封力需要計算。在已有資料中,球面密封的線接觸比壓ql 只有在工作壓力P ≤2.5M Pa的情況下才有準確的數(shù)據(jù)可以借鑒, 高于該壓力的情況目前沒有可以參考的數(shù)據(jù)。

3.1、傳統(tǒng)設(shè)計方法

　　由于球體與平面接觸時,在接觸應力的作用下發(fā)生彈塑性變形,球體上會出現(xiàn)一個小的錐形帶狀密封面。假定密封寬度為b, 可以確定必須密封比壓qM F和氣缸直徑。根據(jù)確定的氣缸直徑驗算密封面的實際比壓q是否大于必須密封比壓qMF且小于許用比壓〔q〕,氣缸力是否能夠克服閥桿摩擦力,如果不能滿足要求,重新假定b值直到滿足要求為止。舉例,工作壓力P=10MPa,閥門公稱直徑D=65mm,密封面直徑DP=71.48mm,錐半角α=15°,氣缸操縱氣壓力Pg=5MPa,球體材料為H62(屈服強度σsT=160MPa, 許用比壓〔q）=80MPa ) , 閥體材料為0Cr18Ni9 (屈服強度σsG =205MPa) ,閥門氣缸內(nèi)徑<115mm,介質(zhì)從閥瓣下方流入。假定密封面寬度b=3mm,計算qMF、QMJ和QMF。

式中qM F ———密封面上的必需比壓,M Pa
　　C———與密封面材料有關(guān)的系數(shù)(C = 3)
　　K———介質(zhì)壓力對比壓值的影響系數(shù)(K = 1)
　　P ———工作壓力( P = 10) ,M Pa
　　b———密封面寬度( b = 0.3) , cm
　　QM J ———介質(zhì)靜壓力, N
　　Dp ———密封面中徑(Dp=71.48) , mm
　　QM F ———密封面上密封力, N
　　α———錐半角, ( °)
　　fm ———密封面摩擦系數(shù)( fm = 0.2)

　　將數(shù)值帶入式(1) 、(2) 和(3) 得到qMF=23.7MPa, QMJ=40109N, QMF=7213N。在忽略摩擦力的情況下得到閥桿軸向力QMZ=QMJ+QMF=47322N。閥桿軸向力即為氣缸力F。

F = 0.785D² P (4)

式中F ———氣缸力, N
　　D ———氣缸內(nèi)徑, mm
　　Pg ———氣缸操縱氣壓力( Pg = 5) ,MPa

　　將數(shù)值代入式(4),得D=109mm。取D=115mm。依該直徑對密封面比壓進行校核,取摩擦力QT=3000N。