閥門設計基本理論研究與探討

姚一杰

（日豐企業集團有限公司，廣東佛山528137）

閥門設計基本理論研究與探討

姚一杰

（日豐企業集團有限公司，廣東佛山528137）

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

設計思維；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的流通，改變介質的流動方向，調節介質的壓力和流量，保護管路設備的正常運行。

隨著現代工業的不斷發展，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，不僅對環境造成了嚴重影響，也造成嚴重的原材料和產品的浪費，有時還會引起嚴重的安全事故。

設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象，如果設計考慮不周而形成的泄漏，往往是不易發現的批量問題。從某種意義上講，一個好的設計方案可以避免很多質量問題。因此，研究閥門設計理論、提高閥門設計水平非常必要，具體如圖1所示。

圖1 閥門設計基本理論圖

1 設計輸入及驗證輸出

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

設計輸入，即明確產品設計的各種要求，主要包括以下幾個方面的內容：①明確產品的使用環境，比如工作介質、工作壓力、工作溫度等。②功能要求。即開發什么功能和用途的產品，確定開發設計的閥門類型、型號、規格、連接方式、驅動方式等基本信息。③性能要求。確認產品需要符合的標準條款、法律法規、認證要求、性能指標等。④參照信息。收集新品開發所參照類似品的經驗信息。⑤產品定位。確定產品檔次、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 設計思維因素

閥門設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、成本是優化指標。只有綜合考慮各種因素，才能設計出比較令人滿意的設計方案。

設計的工藝因素即閥門設計應充分考慮工藝的實現性，可以實現質量穩定的批量生產。為了方便工藝實現，對產品類似結構特征，可以進行標準化設計，便于刀量夾具的借用。

設計的裝配因素即設計方案的多個零件能順利實現組裝，互相組裝的零件要有裝配面（內六角或外六角），盡量選用便于裝配的零件結構（比如裝配不需區分安裝方向的對稱結構等）。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，做出區別，避免混料。

設計的功能因素即開發產品所實現的基本功能，比如截止、調節、導流、防止逆流、穩壓、分流或溢流泄壓等功能。此外，閥門產品應盡量操作簡單，同時，便于安裝拆卸、維護更換，對于調節類閥門，還應設計防誤操作功能。

設計的性能因素即產品的使用安全性、可靠性，不會對使用者、使用環境造成損傷，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、抗脈沖性、壽命）、環境模擬適用性等。設計的成本因素，即實現技術功能、滿足預定技術性能要求的同時，盡量優化結構，用盡量少的零件個數實現產品結構特征，用盡量簡單的加工工藝實現零件加工生產，降低工程造價和產品價格，對社會產生積極作用（避免環境污染，維護生態平衡，促進生產力發展）。

3 失效模式分析

風險點評估或稱設計的失效模式分析，主要是研究產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，需重點確認設計輸入是否完善，設計方案是否存在薄弱環節，密封結構是否可靠，找出可能存在的風險點予以優化。

泄漏是最常見的閥門失效形式，導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連接失效泄漏，需加強連接部位的強度設計。殼體泄漏多為工藝缺陷（比如砂眼）或加工內應力所致，需要改善加工工藝，增加去應力退火等；對于水閥結冰爆裂失效，還要從使用和系統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、密封結構有關，需要加強密封面的防護，改善密封結構設計。閥門常用密封結構有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，在規定的溫度、壓力以及不同的液體和氣體介質中，于靜止或運動狀態下起密封保護作用，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形圈密封結構設計時，應根據工作介質、密封環境確定適合的O形圈材質和硬度，并合理設計密封壓縮率、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，通常需設計防丟結構（圖2中的a）、防止墊片過度壓縮的限位結構（圖2中的b）。

密封副的兩側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。硬密封多用于調節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 結束語

閥門設計時，應充分明確設計輸入要求，確定產品型號，在產品設計時綜合考慮各種因素，通過風險分析，優化產品結構，盡可能地減少或降低失效風險，提高閥門產品質量。

表1 O形圈設計主要參數

圖2 墊片密封結構

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

［2］張百麟.閥門泄漏的原因分析及其設計選型的優化［J］.石油化工環境保護，2003（02）.

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

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

〔編輯：張思楠〕

TU984.113

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.14.148

2095－6835（2017）14－0148－02