一種閥桿（閥門）密封裝置的優(yōu)化設(shè)計*

□劉映泉 □王志強 □鄒輝

新興重工湖北三六一一機械有限公司 湖北丹江口 442712

現(xiàn)有水道、油道、氣道的使用終端，通常是水嘴、液體加注器械及閥類，這些終端器具的閥類密封圈基本上是裝配在閥桿（或閥門）的大徑部和軸頸部。此類結(jié)構(gòu)，在液體處于低壓（＜0.4 MPa）狀態(tài)下尚可，但在液體處于高壓（≥0.4 MPa）狀態(tài)下，閥桿（閥門）機構(gòu)（含密封圈部分）的工作會出現(xiàn)如下異常：①高壓密封試驗不合格；②密封件頻繁受到?jīng)_擊并與閥桿本體產(chǎn)生相對位移，易損；③開啟壓力過大或引起部件變形而失效，進而影響到整個系統(tǒng)的工作。伴隨現(xiàn)代化的步伐，液體高壓環(huán)境無處不在，每年因此而導(dǎo)致的各類液體終端使用器具的失效損失驚人。

基于上述不足，筆者提供一種有效提高閥類器具（作直線運動的閥類）的額定工作壓力及使用穩(wěn)定、可靠的密封裝置。

1 問題描述

有一款主副閥加油槍，對樣件進行性能測試：低壓試驗合格（＜0.4 MPa）；高壓試驗時，當(dāng)液體壓力達到額定（≥0.4 MPa）的試驗壓力時，副閥（泄壓閥）開啟后，手感壓力明顯；主閥開啟后，部分樣件開關(guān)手柄變形，且液體流量遠不及設(shè)計要求。二次開啟時，手感壓力依然明顯，同時流出液體量更小，不能滿足設(shè)計的0.6 MPa額定工作壓力，結(jié)論是高壓試驗不合格。對部件的強度試驗表明，每個部件的強度設(shè)計是合格的。

另一款同期設(shè)計的加油器具（CRJ100陰、陽彎頭閥），開關(guān)部分采用的是扭矩傳遞動力，閥門（含密封圈）直線進給，樣件在測試過程中出現(xiàn)了與主副閥加油槍同樣的問題，低壓試驗合格，額定工作壓力1MPa密封試驗時不合格。

2 問題分析

下面以閥桿與密封圈的工作配合，針對上述問題進行分析。

對主副閥加油槍的樣件拆解，有一個細節(jié)發(fā)現(xiàn)，裝配在副閥閥桿上的密封圈均呈“工作后”的狀態(tài)，即密封圈與副閥軸肩出現(xiàn)了一個相對位移，密封圈底面不再貼緊副閥軸肩端面。密封圈最初是裝配在閥桿（副閥）上的，其斜面為密封面，與主閥內(nèi)側(cè)錐面接觸并密封。密封圈及軸肩以下部分在樣件開始工作之前處于一定的液壓狀態(tài)之下，根據(jù)其工作原理，可以模擬其過程(見圖1)：閥桿（副閥）受力F（來至手柄開關(guān)傳遞的外力）后向下產(chǎn)生位移，裝配在閥桿上的密封圈可塑性很大，因密封圈依然承受來自液壓系統(tǒng)的壓力f，密封圈會繼續(xù)緊貼大閥內(nèi)側(cè)密封面，這樣，密封圈與閥桿之間就產(chǎn)生了相對的位移△d，出現(xiàn)泄壓閥系統(tǒng)工作失效的情形，開關(guān)系統(tǒng)在沒有泄壓的情況下直接打開主閥，其承受來自液壓系統(tǒng)的壓力此時會驟然倍增，致使部分組件承受壓力超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)而變形、失效。

3 優(yōu)化設(shè)計

▲圖1 閥桿受力過程

閥桿（閥門）+密封圈是目前油、氣、水道終端使用器械的一種主要密封形式，密封圈與閥桿（閥門）按各自的圖紙分別加工完成，然后將密封圈裝配在閥桿（閥門）上（見圖2、圖3），盡管在密封圈與閥桿配合部位的過盈量很大，依然無法改變目前的使用結(jié)果。

▲圖2 閥桿密封形式

▲圖3 閥門密封形式

基于上述實驗結(jié)果，可以認(rèn)為，原有的設(shè)計理念不適合較高或者高壓環(huán)境。要提高現(xiàn)有閥類器具的高壓工作能力，延長油、氣、水道終端使用設(shè)備的壽命，必須對原有閥桿（閥門）密封圈進行有限元優(yōu)化設(shè)計，確保閥桿（閥門）+密封圈在工作中保持完全聯(lián)動。

下面是優(yōu)化設(shè)計后的閥桿（閥門）密封圈結(jié)構(gòu)，見圖4、圖5。

考慮到其結(jié)構(gòu)的相同性，這里僅對閥桿密封圈進行介紹。

▲圖4 優(yōu)化后的閥桿密封

▲圖5 優(yōu)化后的閥門密封

1）從圖2和圖4的對比可以看到，閥桿的形狀及尺寸優(yōu)化前后沒有變化。

2）從圖2和圖4的對比可以看到，橡膠密封圈的上半部（含密封面）保持與原密封圈相同，優(yōu)化后的密封體有效地利用了閥桿的軸肩（最大徑外圓部及上下兩端面），并對軸肩實施了包裹，包裹厚度均為1 mm。

3）圖2中，閥桿密封圈系統(tǒng)中密封圈與閥桿是按各自的圖紙尺寸加工，然后裝配形成；圖4中，閥桿是按圖紙加工制造，而密封體則是通過注塑模在閥桿密封圈總成中密封圈所在的部位實施注塑成型完成。

通過在密封圈所在的部位成型鑄膠，即完成了閥桿密封圈的優(yōu)化——掛膠閥桿，掛膠閥桿能讓閥桿和密封圈在工作中保持完全聯(lián)動。

從圖4可以看出，整體式掛膠閥桿完全克服了閥桿與密封圈分體裝配時因受油壓和開啟機構(gòu)的外力，兩者之間有產(chǎn)生相對位移的可能。只要閥桿受壓產(chǎn)生位移，密封部分一定會產(chǎn)生相同位移的聯(lián)動，這已在后期的實驗中得到了驗證。

整體式閥桿（閥門）密封圈制造的工藝過程如下。

1）酸洗閥桿-去氧化膜、去脂；2）閥桿在沸水漂洗，時間0.5 h；3）在閥桿掛膠部位均勻涂抹列克納膠（一種橡膠與金屬結(jié)合的膠合劑），涂抹計3次；4）丁腈橡膠帶纏掛膠部位；5）成型：閥桿在鑄型模內(nèi)經(jīng)過13 MPa硫化壓力、溫度160℃及硫化時間15 m in后取出；6）修整：對掛膠部位修整飛邊。

由于密封體使用的材料與分體式裝配時密封圈所用材料相同，按原有單體密封圈的技術(shù)條件驗收。在對整體式閥桿（閥門）密封圈進行檢查時只檢查密封體與金屬黏結(jié)的牢固性（包括耐油試驗后），對閥桿密封圈72h噴氣航煤試驗后，金屬與橡膠黏接部位黏結(jié)牢固，無脫、裂痕跡；對汽油+苯（汽油∶苯=3∶1×24 h/常溫）的吸油率及因吸油引起的體積膨脹率均符合圖紙的技術(shù)要求，金屬與橡膠黏接部位黏結(jié)牢固，無脫、裂痕跡。

4 試驗

1）把主副閥加油槍中的閥桿+密封圈（圖2結(jié)構(gòu)）用優(yōu)化后的整體式閥桿密封圈（掛膠閥桿，圖4結(jié)構(gòu)）進行置換，然后對加油槍實施工作壓力試驗。

（1）啟動試壓機，按0.4MPa、0.6 MPa、0.8 MPa、1 MPa、1.6 MPa升壓，然后分別開啟加油槍手柄，在5種壓力條件下，加油槍副閥開啟輕松，達到了泄壓的目的，繼續(xù)扣動手柄，主閥輕松打開，反復(fù)開啟-關(guān)閉-開啟，加油槍工作正常；

（2）對加油槍進行拆解，檢查手柄、頂桿等開啟系統(tǒng)零部件，符合零件圖形狀及尺寸，閥桿密封圈（掛膠閥桿）中密封體與閥桿整體性好，黏接部位無扯裂痕跡，整體尺寸符合圖紙要求。

2）CRJ100陰、陽彎頭閥技術(shù)要求其工作壓力是1MPa，使用經(jīng)優(yōu)化的閥門密封圈后，克服了高壓密封試驗（≥0.4 MPa）不合格的問題，同時將最大工作壓力提升到1.8 MPa，對閥門開啟系統(tǒng)拆解檢查結(jié)果與加油槍副閥（閥桿密封圈）優(yōu)化后的情況相同。

以上兩種優(yōu)化形式的密封裝置實驗效果均表現(xiàn)良好，均達到了預(yù)期目的。

5 結(jié)束語

本文對傳統(tǒng)分體式閥桿（閥門）密封裝置高壓工作環(huán)境中暴露的不足，進行了詳細的分析，提出了整體式閥桿（閥門）密封裝置的優(yōu)化設(shè)計方案，解決了水道、油道、氣道的使用終端（橡膠密封活門式閥類產(chǎn)品）高壓工作能力。優(yōu)化后密封裝置結(jié)構(gòu)簡單，因優(yōu)化成本極低（可以忽略），優(yōu)化實用性強，可以廣泛應(yīng)用于水道、油道的等終端器具。

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［2］機械設(shè)計手冊編委會編著.機械設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

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