一種彈上氣瓶用單向閥設計

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：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大批量生產。

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。

根據單向閥的動作過程，當活門達到規定的開啟高度時，介質對活門的作用力應大于或等于此時的彈簧力，據此可確定彈簧的最大工作負載；根據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。經計算，彈簧的最小工作負載為7N，最大工作負載為15.5N。

根據行程、負載可以進行彈簧的結構參數設計。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、被密封的流體、密封面的加工質量等因素有關，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：機械工業出版社，2009.

[2]楊源泉.閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1992.

[3]房汝洲.實用閥門設計手冊[M].北京：中國知識出版社.2006.