1、概述

　　近年來隨著加工工藝技術的發展,球面密封結構截止閥在航天試驗系統中得到了廣泛應用。航天氫氧火箭發動機試驗系統(以下簡稱試驗系統)有些部分處于低溫或高壓工作環境中,操作介質主要有液氧、液氮和液氫等低溫介質及其他一些易燃有毒介質。所以試驗系統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,所以試驗系統中廣泛應用了金屬密封結構。本文以閥瓣為銅合金球形結構,閥座為不銹鋼錐形結構的氣動截止閥為例,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,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　錐形閥座結構和作用力

3、氣缸設計

　　在氣源壓力一定時截止閥的氣缸力主要與氣缸內徑有關,氣缸內徑主要與閥桿的受力有關。截止閥閥桿軸向受力有介質靜壓力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,待氣缸內徑確定后再復驗氣缸力是否能夠克服摩擦力。介質靜壓力在閥門口徑、壓力和密封結構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據可以借鑒, 高于該壓力的情況目前沒有可以參考的數據。

3.1、傳統設計方法

　　由于球體與平面接觸時,在接觸應力的作用下發生彈塑性變形,球體上會出現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) ,閥門氣缸內徑<115mm,介質從閥瓣下方流入。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———與密封面材料有關的系數(C = 3)
　　K———介質壓力對比壓值的影響系數(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( fm = 0.2)

　　將數值帶入式(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 ———氣缸內徑, mm
　　Pg ———氣缸操縱氣壓力( Pg = 5) ,MPa

　　將數值代入式(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。