一種閥桿（閥門）密封裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)*

□劉映泉 □王志強(qiáng) □鄒輝

新興重工湖北三六一一機(jī)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(jī)構(gòu)（含密封圈部分）的工作會(huì)出現(xiàn)如下異常：①高壓密封試驗(yàn)不合格；②密封件頻繁受到?jīng)_擊并與閥桿本體產(chǎn)生相對(duì)位移，易損；③開啟壓力過大或引起部件變形而失效，進(jìn)而影響到整個(gè)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(yùn)動(dòng)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(duì)樣件進(jìn)行性能測試：低壓試驗(yàn)合格（＜0.4 MPa）；高壓試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)液體壓力達(dá)到額定（≥0.4 MPa）的試驗(yàn)壓力時(shí)，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(yuǎn)不及設(shè)計(jì)要求。二次開啟時(shí)，手感壓力依然明顯，同時(shí)流出液體量更小，不能滿足設(shè)計(jì)的0.6 MPa額定工作壓力，結(jié)論是高壓試驗(yàn)不合格。對(duì)部件的強(qiáng)度試驗(yàn)表明，每個(gè)部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是合格的。

另一款同期設(shè)計(jì)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(dòng)力，閥門（含密封圈）直線進(jìn)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(yàn)合格，額定工作壓力1MPa密封試驗(yàn)時(shí)不合格。

2 問題分析

下面以閥桿與密封圈的工作配合，針對(duì)上述問題進(jìn)行分析。

對(duì)主副閥加油槍的樣件拆解，有一個(gè)細(xì)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(gè)相對(duì)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(huì)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(duì)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(shí)會(huì)驟然倍增，致使部分組件承受壓力超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)而變形、失效。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

▲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(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為，原有的設(shè)計(jì)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(duì)原有閥桿（閥門）密封圈進(jìn)行有限元優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保閥桿（閥門）+密封圈在工作中保持完全聯(lián)動(dòng)。

下面是優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)閥桿密封圈進(jìn)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(duì)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(duì)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(duì)軸肩實(shí)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(shí)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(dòng)。

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(shí)因受油壓和開啟機(jī)構(gòu)的外力，兩者之間有產(chǎn)生相對(duì)位移的可能。只要閥桿受壓產(chǎn)生位移，密封部分一定會(huì)產(chǎn)生相同位移的聯(lián)動(dòng)，這已在后期的實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)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(shí)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(jì)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(shí)間15 m in后取出；6）修整：對(duì)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(shí)密封圈所用材料相同，按原有單體密封圈的技術(shù)條件驗(yàn)收。在對(duì)整體式閥桿（閥門）密封圈進(jìn)行檢查時(shí)只檢查密封體與金屬黏結(jié)的牢固性（包括耐油試驗(yàn)后），對(duì)閥桿密封圈72h噴氣航煤試驗(yàn)后，金屬與橡膠黏接部位黏結(jié)牢固，無脫、裂痕跡；對(duì)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(yàn)

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(jìn)行置換，然后對(duì)加油槍實(shí)施工作壓力試驗(yàn)。

（1）啟動(dòng)試壓機(jī)，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(dá)到了泄壓的目的，繼續(xù)扣動(dòng)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(duì)加油槍進(jìn)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(yàn)（≥0.4 MPa）不合格的問題，同時(shí)將最大工作壓力提升到1.8 MPa，對(duì)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(shí)驗(yàn)效果均表現(xiàn)良好，均達(dá)到了預(yù)期目的。

5 結(jié)束語

本文對(duì)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(jìn)行了詳細(xì)的分析，提出了整體式閥桿（閥門）密封裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shí)用性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于水道、油道的等終端器具。

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