單向閥用橡膠彈簧的設計

侯曙光

（江門職業技術學院，江門 529000）

為了提高市場競爭力，滿足客戶需求，企業迫切需要提高生產效率。本文結合生產實際需要，針對特定產品的使用性能和加工過程，提出了橡膠彈簧的開發設計方案。從生產實踐看，該方案滿足了客戶的使用要求，提高了生產效率，降低了生產成本，為企業創造了更多的利潤空間。

1 問題描述

通過動力源帶動執行機構往復運行，實現單向閥的開啟和閉合，進而完成吸取和壓出工作介質的目的，結構原理如圖1所示。通過結構圖可以看出，閥體的安裝面需要和其他部件配合，閥座和支架在軸向上的尺寸要滿足和閥體孔的配合需要。在實際的加工過程中，由于三個零件尺寸公差的累積，通過尺寸鏈（圖1）的計算，公差累積在0.15mm，而且閥體孔的軸向尺寸、閥座的厚度及支架的高度尺寸公差要求非常嚴格，加工效率低下，成本高。人們可以通過選配法、分組法、修配法等來提高裝配精度，但是產品的互換性難易保障，尤其是給后期的售后維護帶來更高的成本投入，進一步降低產品利潤。

各個閥孔的累積值是不同的，如果累積的是負值，那么在實際運行過程中，就會出現閥座和支架沿軸向竄動，使密封圈快速磨損，讓竄動加劇，產生噪音、泄露和組件的損壞，影響設備的使用壽命；如果累積的是正值，就會引起泄露。

2 設計思路

針對產品特點，要提高產品的性能，首先要解決公差累積給產品帶來的負面影響。由于一臺設備由多個吸取和壓出的單向閥，尺寸很難控制一致，因此產品的使用壽命很容易受到該部件的影響，尤其是高頻運行時，產品的性能將會受到更大的考驗。

為了延長產品的使用壽命，提高產品的性能和生產效率，有必要針對該問題進行優化設計。由于設備涉及多個裝配體的配合，常規的鎖緊或緊定很難滿足尺寸鏈累計的公差，需要借助某種方式來消除或者自動補償尺寸來滿足要求。考慮實際的運行工況，筆者決定利用橡膠彈簧的優點來解決公差累積的問題。

橡膠彈簧是一種高彈性體，彈性模量小，受載后有較大的彈性變形，具有較高的內阻，對沖擊和高頻振動的吸收以及隔音具有良好的效果。同時，其減振效果好、共振領域小、使用壽命長、成本低，具有優良的氣密性、防水性，是減振的最佳選擇。

具體的改進結構如圖2所示，通過添加橡膠彈簧來補償公差累積，同時降低產品運行時的噪音，使產品滿頻運行時的噪音由原來的80Hz降低到55Hz；閥體孔的磨損也大大減弱，延長了產品的使用壽命。生產實踐表明效果良好。

圖1 結構原理及尺寸鏈

圖2 改進后的結構

3 橡膠彈簧的設計與計算

通過橡膠彈簧對軸向間隙進行補償，結合具體產品，采用圓環型橡膠彈簧，材料為丁腈橡膠，肖氏硬度60HS，預緊力20N，預壓0.15～0.25mm，確保預壓面足夠大。結構如圖3所示，根據實際產品（閥體孔的內徑、閥座內孔的孔徑、閥彈簧的自由高、并圈量以及對應壓縮量的壓力值）設計外徑D1、內徑D2、厚度H、彈簧的強度等約束條件進行優化設計。

圖3 橡膠彈簧結構圖

橡膠材料的彈性模量E和切變模量G的關系為：

在該結構中，環槽起到關鍵作用，環槽的深度H1設置為0.4mm，考慮到閥體孔、閥座、支架的公差累計，安裝時確保橡膠彈簧的預壓縮量保持在0.15～0.25mm。在設備開始運行時，橡膠彈簧的厚度尺寸補償了裝配體的軸向公差累積，運行過程中工作介質會進入環槽增加橡膠彈簧的剛度，滿足強度要求。

4 結語

通過樣機調試，將試制的產品進行驗證，通過協調改善橡膠彈簧的質量，已經可以滿足使用要求。由于結構設計的改進，閥體孔的軸向尺寸公差可以放寬到0.1mm，讓孔的加工很容易達到，同時閥座厚度尺寸公差和支架高度尺寸公差也適當放寬，以提高加工效率、降低成本。目前，已經批量生產，實踐表明，設備振動噪音降低超過30%，同時產品的性能和生產效率提升，生產成本得到降低。

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