彈性單向閥閥芯設(shè)計(jì)與密封分析*

子建

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 江蘇徐州 221116；2.徐州市婦幼保健院 江蘇徐州 221009)

由于材料性能和成本上的優(yōu)勢(shì)[1]，采用彈性非金屬材料閥芯作為水介質(zhì)控制閥閥芯，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[2]、安全穩(wěn)定的優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)療和食品行業(yè)存在應(yīng)用的潛力[3-4]。比如，壓力在10 MPa、流量在0.2 L/min以下的單向閥是醫(yī)用射流技術(shù)和裝備發(fā)展中必不可少的元件[5-6]。單向閥中彈性材料作為閥芯替代了原有金屬閥中的閥芯、密封件和彈簧，其動(dòng)靜態(tài)密封性能的研究對(duì)流控系統(tǒng)的影響極為關(guān)鍵[7]。而彈性閥芯的實(shí)際變形和應(yīng)變是閥體內(nèi)復(fù)雜的流體-結(jié)構(gòu)非線性相互作用機(jī)制的結(jié)果，所以其閥芯動(dòng)靜態(tài)密封問(wèn)題的研究是非金屬閥設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)合，流體和彈性材料力學(xué)作用問(wèn)題的研究逐步展開(kāi)。陳敏等人[8]根據(jù)超彈性材料的本構(gòu)關(guān)系，對(duì)閥內(nèi)的M形密封圈進(jìn)行了非線性理論研究，得到壓縮量與密封接觸平面上接觸壓應(yīng)力的作用關(guān)系；WEI等[9]結(jié)合彈性膜片的接觸分析，利用流固耦合計(jì)算方法對(duì)壓力補(bǔ)償灌水器在一定工作壓力范圍內(nèi)的流量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，但壓力范圍較小；王湛[10]對(duì)接縫不同布置結(jié)構(gòu)下的水下盾構(gòu)隧道密封墊失效過(guò)程進(jìn)行了分析，得到了滲漏位置變化的原因。以上研究結(jié)果表明：針對(duì)彈性材料的動(dòng)靜態(tài)研究，能夠?yàn)槊芊猱a(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短設(shè)計(jì)周期，但應(yīng)用范圍受限，很難為壓力在10 MPa，流量在0.2 L/min以下的單向閥的閥芯設(shè)計(jì)研究提供設(shè)計(jì)方法和參考。因此，分析彈性單向閥的密封特性，對(duì)微小彈性單向閥閥芯的設(shè)計(jì)改進(jìn)具有重要意義。

1 力平衡分析

設(shè)計(jì)研究的單向閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括入口接頭、出口接頭、閥套、閥芯、密封圈。閥芯為帶突起的錐臺(tái)結(jié)構(gòu)，通過(guò)其上表面的突起部分的壓縮進(jìn)行密封，利用其彈性特性提供預(yù)壓縮力。入口和出口接頭、閥套均為PEEK材質(zhì)，閥芯選用聚氨酯材質(zhì)。設(shè)計(jì)壓力為8 MPa水壓，流量為200 mL/min。

圖1 單向閥結(jié)構(gòu)Fig 1 Check valve structure

閥芯的力平衡方程可以表示為

式中：m為閥芯質(zhì)量；x為閥芯位移；p1為閥的入口壓力；p2為閥的出口壓力；s1為閥的入口面積；s2為閥的出口面積；Fd為閥芯抵抗變形的力，根據(jù)材料本構(gòu)關(guān)系，

其中：Ea為彈性材料的彈性模量，與材料的形狀和硬度等有關(guān)；ε為應(yīng)變。

2 分析方法

判斷單向閥閥芯是否具有良好的性能，將從等效應(yīng)力、形變和接觸壓力3個(gè)指標(biāo)上進(jìn)行分析。接觸壓力與介質(zhì)壓力的比較能夠判斷閥芯的裝配是否滿足靜密封壓力要求。形變量能夠反映閥芯上變形最大的區(qū)域和壓縮量。等效應(yīng)力反映了受力區(qū)域主應(yīng)力差值，等效應(yīng)力越大的區(qū)域，材料越容易破損和失效。另外，彈性材料吸收的變形能量可以通過(guò)應(yīng)力和形變量反應(yīng)，變形能量越大，閥芯內(nèi)部的能量交替吸收和釋放越劇烈，越容易破壞。

為了對(duì)非線性彈性材料的性能進(jìn)行評(píng)估，利用Ansys進(jìn)行加載和分析。首先，對(duì)閥芯采用分區(qū)域方式劃分網(wǎng)格，閥芯密封環(huán)采用四面體網(wǎng)格劃分，閥芯主體采用六面體網(wǎng)格劃分，如圖2所示，通過(guò)無(wú)關(guān)性驗(yàn)證的網(wǎng)格最大尺寸為0.15 mm。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig 2 Meshing

根據(jù)材料供應(yīng)商提供的聚氨酯材料的力學(xué)特性曲線，選取 Mooney-Rivlin兩參數(shù)模型作為閥芯材料的本構(gòu)模型。其中C10=7.405 MPa，C01=1.851 25 MPa，D1取0.01。然后，設(shè)置閥體為固定模式并添加約束，如圖3所示，其中添加壓縮量模擬閥芯在裝配時(shí)的預(yù)壓緊過(guò)程；通過(guò)施加載荷模擬單向閥反向通流時(shí)閥芯受力。

圖3 施加載荷Fig 3 Application of load

為了判斷單向閥閥芯是否具有良好的性能，將提取不同條件下的等效應(yīng)力、形變和接觸壓力3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。

3 等效應(yīng)力分析

根據(jù)材料特性和工作條件，取閥芯接觸區(qū)域的摩擦因數(shù)為0.10，介質(zhì)工作壓力為8 MPa。閥芯安裝預(yù)壓縮量分別設(shè)置為0.01、0.05、0.10、0.15、0.20 mm。閥芯上的最大等效應(yīng)力如圖4所示。

圖4 不同預(yù)壓縮量下應(yīng)力分布(MPa)Fig 4 Stress distribution under different pre-compression (MPa)

如圖4所示，預(yù)壓縮量分別為0.01、0.05、0.10、0.15、0.20 mm時(shí)，其最大等效應(yīng)力分別是14.03、11.64、10.14、11.54、13.52 MPa。隨著閥芯預(yù)壓縮量的增大，閥芯出現(xiàn)最大等效應(yīng)力的區(qū)域由閥芯內(nèi)孔表面逐漸過(guò)渡至閥芯外密封環(huán)環(huán)芯位置，即最可能出現(xiàn)破損的區(qū)域發(fā)生了變化。

由圖4和圖5可知：閥芯出現(xiàn)最大等效應(yīng)力區(qū)域變化的原因是，隨閥芯安裝預(yù)壓縮量的增加，由閥芯安裝預(yù)壓縮量和介質(zhì)工作壓力共同作用引起的等效應(yīng)力超過(guò)了單一由工作壓力產(chǎn)生的等效應(yīng)力。閥芯安裝預(yù)壓縮量引起的等效應(yīng)力主要集中于閥芯密封環(huán)上，介質(zhì)工作壓力引起的等效應(yīng)力主要集中在受力面，也就是閥芯內(nèi)孔表面。在0～1 s時(shí)，應(yīng)力主要閥芯安裝時(shí)的預(yù)壓縮量引起；1～2 s時(shí)，應(yīng)力來(lái)源于加載介質(zhì)的壓力。由此最大等效應(yīng)力在閥芯安裝預(yù)壓縮量增加的過(guò)程中，由閥芯內(nèi)孔表面逐漸過(guò)渡至閥芯外密封環(huán)環(huán)芯位置。

圖5 等效應(yīng)力-時(shí)間變化Fig 5 Equivalent stress changed with time

4 變形分析

根據(jù)上一步設(shè)置條件下的模擬結(jié)果，相應(yīng)的閥芯的形變?nèi)鐖D6所示。閥芯安裝預(yù)壓縮量分別為0.01、0.05、0.10、0.15、0.20 mm時(shí)，其最大形變量分別是0.27、0.22、0.17、0.19、0.23 mm，呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。隨著預(yù)壓縮量的增大，閥芯出現(xiàn)最大形變的區(qū)域由閥芯第一密封環(huán)內(nèi)環(huán)表面逐漸過(guò)渡至兩密封環(huán)中間表面位置，即受力形變最大的位置發(fā)生了變化。隨著閥芯安裝預(yù)壓縮量的增加，由閥芯安裝預(yù)壓縮量和介質(zhì)工作壓力疊加產(chǎn)生的形變量超過(guò)了單一由介質(zhì)工作壓力產(chǎn)生的形變量。介質(zhì)工作壓力是一定的，而閥芯預(yù)壓縮量是逐漸增加的，當(dāng)閥芯安裝預(yù)壓縮量逐漸增加所引起的形變超過(guò)了由介質(zhì)工作壓力引起的形變，由此最大形變位置在預(yù)壓縮量增加的過(guò)程中，由閥芯第一密封環(huán)內(nèi)環(huán)表面逐漸過(guò)渡至閥芯兩密封環(huán)中間表面位置。

由形變-時(shí)間變化折線圖圖7可看出：閥芯在逐步壓緊的過(guò)程中，其形變逐漸變大；觀察折線在1 s內(nèi)的形變可見(jiàn)，閥芯安裝預(yù)壓縮量越大的情況下其形變?cè)酱蟆Ｅc上一節(jié)等效應(yīng)力分析對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置不一定就是形變的位置；形變量只體現(xiàn)了閥芯相較于初始狀態(tài)的變形位移量，不能籠統(tǒng)地認(rèn)為等效應(yīng)力等同于形變。

圖6 不同預(yù)壓縮量下閥芯變形(mm)Fig 6 Spool deformation under different pre-compression (mm)

圖7 形變和時(shí)間關(guān)系Fig 7 Deformation changed with time

5 密封壓力分析

相應(yīng)地，分析閥芯上起密封作用的內(nèi)外圈密封壓力分別如圖8和9所示。閥芯外密封環(huán)接觸壓力在0～1 s時(shí)由于閥芯安裝預(yù)壓縮量的增加接觸壓力逐漸增大，閥芯安裝預(yù)壓縮量直接影響了閥芯上接觸壓力；在1～2 s時(shí)加載了介質(zhì)壓力，由介質(zhì)工作壓力的增加引起閥芯變形使得閥芯外環(huán)密封壓力增大。閥芯安裝預(yù)壓縮量較小時(shí)，閥芯外密封環(huán)變形較小，因此加載介質(zhì)壓力后閥芯變形較大，閥芯外密封環(huán)壓力增加較多。閥芯安裝預(yù)壓縮量較大時(shí)，閥芯外密封環(huán)變形較大，因此加載介質(zhì)壓力后閥芯變形較小，閥芯外密封環(huán)壓力增加較少。介質(zhì)工作壓力曲線一直位于密封壓力曲線下側(cè)，證明密封壓力大于介質(zhì)壓力，能形成密封的前提條件。

圖8 外環(huán)密封壓力Fig 8 Outer ring sealing pressure changed with time

圖9 內(nèi)環(huán)密封壓力Fig 9 Inner ring sealing pressure changed with time

對(duì)于內(nèi)環(huán)密封壓力，隨著閥芯安裝預(yù)壓縮量的增加，閥芯密封環(huán)接觸壓力增大，外環(huán)密封壓力始終大于內(nèi)環(huán)密封壓力。因此，閥芯密封的薄弱位置在內(nèi)環(huán)與閥體接觸區(qū)域上。校核壓力條件時(shí)應(yīng)首先校核內(nèi)環(huán)密封壓力。介質(zhì)工作壓力曲線大致位于密封壓力曲線下側(cè)，密封壓力臨界于介質(zhì)壓力，證明密封能力能夠基本保障工作要求。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)等效壓力、變形量、密封壓力分析，預(yù)壓縮量0.1 mm是理論上較為合理的安裝尺寸。

(2)最大等效應(yīng)力在閥芯安裝預(yù)壓縮量增加的過(guò)程中，由閥芯內(nèi)孔表面逐漸過(guò)渡至閥芯外密封環(huán)環(huán)芯位置。

(3)針對(duì)彈性閥芯非線性力學(xué)響應(yīng)特性，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)的位置與形變最大位置存在差異。

(4)閥芯表面的內(nèi)突起環(huán)結(jié)構(gòu)部分是實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封的關(guān)鍵承載位置，由于其形狀復(fù)雜、尺寸較小，該區(qū)域的材料性能和加工質(zhì)量是保證閥芯動(dòng)態(tài)特性和疲勞壽命的主要因素。