某无泄漏单向阀结构的分析与应用.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2023.08.018某无泄漏单向阀结构的分析与应用郭加利1-2，张鑫彬1-2，王晓露1-2，鲜亚平1.2，邹平，倪伟1（1.上海航天控制技术研究所，上海2 0 1 1 0 9；2.上海伺服系统工程技术研究中心，上海2 0 1 1 0 9）摘要：对某形式的无泄漏单向阀进行了结构分析和仿真，并利用有限元软件AnsysWorkbench对该单向阀的反向密封机理进行了分析；经过冒泡法试验验证，该阀门对于流体的反向密封效果较好。该无泄漏单向阀结构形式可以用来代替普遍使用的金属密封，具有结构简单、性能可靠的特点，可以推广到其他液压阀门的密封结构中。关键词：无泄漏；单向阀；反向密封；分析；应用中图分类号：TH137;TB42文献标志码：AStructure Analysis and Application of a Non-leakage Check ValveGUO Jia-l-2,ZHANG Xin-bin-,WANG Xiao-lul*2,XIAN Yaping2,ZOU Ping,NI Wei(Shanghai Aerospace Control Technology Institute,Shanghai 201109,China)Abstract:The structure analysis and simulation of a non-leakage check valve are carried out,and the reverse seal of the check valve isanalyzed by the finite element software of Ansys Workbench.The bubble method test proves that the valve has ideal reverse sealing effect.Thistype of non-leakage check valve can replace the current general metal seal,and it has the characteristics of simple structure and reliableperformance.At the same time,this structure can be extended to other similar sealing forms of hydraulic valves.Key words:non-leakage;check valve;reverse seal;analysis;application0引言单向阀作为液压气动控制系统的重要元件，对系统的正常运行起着关键作用 。即用来防止液压系统或气动系统中介质的逆向流动，一般由弹簧等弹性元件提供密封压力，且在常态下处于关闭状态 2 。目前，常见单向阀的密封主要是采用锥阀的密封形式，依靠接触面的线接触或面接触，实现对液压油的静密封。这种密封形式对密封表面机械加工的质量有着很高的要求,如锥面与导向圆柱面的同轴度、锥面的形状加工偏差、表面光洁度等,其加工质量的好坏对单向阀的密封性能有直接的影响 3 。同时这种密封形式随着阀门的开关次数的增加,在接触面上容易产生蠕变,从而引起密封不严的情况,影响着整阀的可靠性。本研究介绍了一种国外品牌的无泄漏单向阀的结构,并利用有限元分析软件Ansys Workbench 对其进行分析,并用试验证明了该密封结构形式是有效的,并通收稿日期：2 0 2 2-0 8-1 8作者简介：郭加利（1 9 8 7-），男，山东高密人，高级工程师，硕士，主要研究方向为电液伺服阀与伺服系统。文章编号：1 0 0 8-0 8 1 3(2 0 2 3)0 8-0 0 9 7-0 41工作原理如图1 所示，该单向阀的结构主要由壳体、弹簧、衬套、阀套和密封圈等零件组成。该单向阀的密封结构与传统结构相比，主要特点是多了一道密封圈。该单向阀通过在阀壳体上卡住了一个衬套，并和顶盖一起将一个0 形密封圈夹住。这样密封圈就可以固定在两者之间，当阀芯处在关闭状态时，与该密封圈配合造成密封圈压缩，从而产生密封效果。阀芯与顶盖之间与传统单向阀一样,还有个锥面密封,可以对反向压力产生第二道密封，从而加强了密封效果。密封圈顶盖衬套壳体、弹簧图1 无泄漏单向阀结构过采用该密封形式对现有产品进行了优化改进。97液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期该结构的巧妙之处在于采用了软硬密封的方法：利用衬套将密封圈固定，然后将密封圈与阀芯通过弹簧的预紧力以及液压或者气压的推力产生压缩产生密封的效果。而当单向阀正向开启时，该结构不受到影响，阀门受到正向油压作用下的可以正常流通。通常实现软硬密封的方法是将密封材料融化进密封槽内，这种工艺方法复杂并且价格较贵。而该结构通过衬套结构就将密封圈与阀芯实现定位，通过标准件O形密封圈实现阀门密封，工艺方面简单可靠。本研究对单向阀两个重要的性能指标,即正向压力损失和反向密封性进行了测试。经测试，该单向阀的正向开启压力约为0.0 5 MPa。对于反向密封性能，根据现有测试条件和工艺方法，采用常用的冒泡法进行测定。具体试验方法是在单向阀的后端加上不同压力的压缩空气。经试验,验证该样品阀1 0 min内无气泡漏出，说明该样品阀有着较好的反向密封效果,见图2。图2 样品阀反向密封试验2密封圈的有限元分析由上面的结构分析及试验结果可知,该结构的密封性能是可靠的。本研究借助有限元分析软件，就该结构形式的反向密封机理进行分析。2.1有限元模型本研究对单向阀的密封结构进行了一定的简化，将衬套和阀套组合成一个元件，如图3 所示。考虑到轴对称的结构形式，在仿真分析计算时将该模型简化模型为二维轴对称结构，利用固定约束将衬套和阀套固定。密封圈安装在沟槽和被密封面之间，安装时有一定的预压缩量而产生反弹力，起到预密封作用。在该结构中，密封圈有2 处接触，分别为密封圈与阀座衬套,以及密封圈与阀芯。这2 个接触对计算采用常规拉格朗日法，接触处摩擦系数为0.15,密封圈为接触边，衬套、阀座和阀芯为目标边。通过设置合理的探测直径，完成了有限元模型中两处98接触的设置。在材料设置方面，阀套、衬套和阀芯为刚性材料，弹性模量为E=210GPa,泊松比=0.3,相对于密封圈其刚度极大，因此可以不考虑其变形。0.020.000(mm)5.00015.000图3 有限元建模由于重点分析密封圈的变形和应力情况，因此需要重点对密封圈的材料进行设置。根据相关经验，密封圈使用的橡胶是一种超弹材料 4。本研究采用工程中常用的两参数Mooney-Rivlin模型进行O形密封圈摩擦接触的有限元分析,其应变能函数为：W=Cio(I-3)+Coi(l2-3)式中，Cio和Co为Rivlin系数,与材料的硬度等参数有关,在该模型中分别取1.8 7 和0.47 5 2.2求解及结果分析完成前处理后，进入求解器，设置分析类型、求解选项和子步数。求解时按照3 个载荷步进行，首先按照预压缩和拉伸量让密封圈在槽内按照接触类型自行伸缩，第二步是给阀芯位移，该阀的位移量大概为2 mm,模拟橡胶密封圈的在无反向密封压力情况下的预压缩应力，主要分析密封圈受到的VonMises应力以及密封接触应力，如图4所示。C单向阅仿真Equivalent StressType:Equivalent(von-Mises)StressUnit:MPaTime:22017-1-517:026.2312ax5.53894.84653.46184.15422.76942.07711.38470.692360in图4软件仿真结果表明，在无反向密封压力情况10.000图4无油压作用下应力情况(1)C：单向阅仿真PressureType:PressureUnit:MPaTime:32017-1-5 17:036.1379ax5.45594.77394.0923.412.7282.0461.3640.68199Oin表明该单向阀的结构形式可以实现可靠的密封。同时壳体Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2023下,单向阀的最大接触应力为6.1 3 MPa,其他接触部位看出,随着油压的增大,最大接触应力也在相应的增的接触应力也有4 MPa左右。从图中可以看到,最大大,基本呈现式(1)的关系,其中压力传递系数k为1.5VonMises应力大概为6.2 3 MPa，最大的VonMises应左右。力出现在密封圈截面受到阀芯挤压部分。按照仿真结果表明,在油压压力在0 8 MPa内，C:单肉烟仿真：单向阅仿真Equivalent StressFresureTrpe Equivalent(von-Mises)SurensType:fressure2017-1-5 15:07Time:26.2312服x5.536g4.84854.15423.46182.76942.07711.30470.69236Omin对模型施加的第三个载荷步是给密封圈模型的下半部分,施加一个压力载荷，模拟模型收到反向油压压力时，密封圈的受力情况。图6 给出了反向密封压力分别为2 MPa的等效应力图,最大应力值为6.2 MPa。由上面分析结果,可以看到该模型在2 MPa油压压力下，密封圈的接触应力为9.3 6 MPa。在该模型中,通过设置不同油压压力的数值,得到不同工作工况下，该单向阀反向密封性能仿真应力值，如表1 所示。表1 密封仿真结果编号密封压力1022344658从以上仿真数据表格中可以看出，最大接触压力与油压压力之间有大致的线性关系：Pmx=Pmx+kp式中，P一一流体压力k一一压力传递系数Pmx在该模型中为0 MPa下的最大接触应力，为 6.1 3 MPaPmax一一在不同油压压力下的最大接触压力理论上当pmxp时，即可保证可靠的自密封 6 。由此可知，实现密封圈密封的关键有两点：最大初始接触压力Pmax和压力传递系数k。从仿真得到的结果可以密封圈的最大接触应力均能够大于对应的进油压力，Tin9:32017-1-5 16:099.3656量28:3256.24377.28445.20314.16253.12192.0B121.0406oin图5 2 MPa油压作用下应力情况VonMises应力6.236.546.586.636.72可以从Workbench仿真结果中获知,在此压力范围内，1密封圈受到的VonMises应力在密封压力作用下基本不变,即稳定在6.5 MPa左右。3应用推广本研究通过借助该形式的无泄漏单向阀结构，对现有某型号单向阀产品的开展优化改进工作。原来的单向阀结构如图6 所示,其采用的是传统的机械密封方式，同时由于该单向阀的应用场合对反向密封性能有较高的要求，需要在装配环节检查其反向密封性能。而在实际生产过程中，该结构的单向阀往往由于机械加工质量等原因，造成单向阀反向密封性能不合格，从而引起制造该阀门合格率低下，并造成相关零件的报废。机械密封MPa最大接触压力6.139.3612.2015.3718.56(1)阀芯图6 某型号单向阀结构根据目前生产过程中碰到的问题,对该单向阀的具体优化方法是，对单向阀壳体分割为上下两部分，并对上下壳体进行部分适应性修改，通过增加衬套以及O形密封圈等结构,最终达到了在不改变单向阀外形尺寸的条件下，实现单向阀软硬密封的目的，如图7所示。上壳体、阀芯、螺钉下壳体图7 优化改进后的单向阀结构密封圈衬套99液压气动与密封/2 0 2 3 年第8 期经过优化改进后的单向阀样品，不但开启性能没有受到影响，而且通过冒泡法试验验证，几只样品阀门的反向密封性能全部通过了考核，证明了该次单向阀优化改进的思路是有效的，也进一步证明了该单向阀密封形式的可靠性，见图8。图8 优化改进后的单向阀试验4结论本研究重点对国外某类型无泄漏单向阀的结构进行了介绍和分析，并利用其原理对现有某型号使用的单向阀进行了优化改进：（1）介绍了国外某无泄漏单向阀结构,并对其密封原理进行分析，并在试验中对其反向密封性能进行验证；（2）建立了该形式单向阀的有限元分析模型，对其密封过程及反向密封的机理进行了仿真分析,并针对其在不同密封压力下的工作状态进行了仿真；（3）应用此种结构，优化改进的某型号单向阀结构形式，并经冒泡法试验验证了该改进方法是有效的。综上所述,本研究介绍的密封结构形式，具有结构简单，密封可靠的特点，可以推广到更多需要良好密封性能的阀门结构场合。参考文献1李萌,张琼伟,董浩，等.单向阀卡滞现象的研究 J.液压气动与密封,2 0 2 2,42(6）：44-46.2 殷青.一种胸腔引流装置单向阀密封性能探究 J.中国医疗器械杂志,2 0 2 2,46(2）：1 6 8-1 7 1,1 7 5.3 戴远敏，李建英，刘海之.提高液控单向阀密封性的实践与研究 J.液压与气动,2 0 0 6，（6）：7 6-7 8.4魏望，刘洪宇，余三成，等.基于Matlab GUI的X型圈选配仿真平台开发 J.飞控与探测,2 0 1 9,4(2）：8 9-9 5.5王道玉，曾亿山，牛家忠.车桥旋转轴唇形密封圈仿真研究 J.流体传动与控制,2 0 1 4，（5）：3 5-3 7,41.6刘健，仇性启，薄万顺，等.橡胶0 形密封圈最大接触压力数值分析 J.润滑与密封，2 0 1 0,3 5（1）：41-44.引用本文：郭加利，张鑫彬,王晓露，等.某无泄漏单向阀结构的分析与应用 J.液压气动与密封,2 0 2 3,43（8）：9 7-1 0 0.GUO Jiali,ZHANG Xinbin,WANG Xiaolu,et al.Structure Analysis and Application of a Non-leakage Check Valve J.HydraulicsPneumatics&Seals,2023,43(8):97-100.+明确五方面1 6 项重点任务今年工业和信息化质量提升与品牌建设工作启动为贯彻落实中央经济工作会议精神和全国工业和信息化工作会议要求，加强企业质量管理，不断提升产品和服务质量，持续深化品牌建设，推动制造业高质量发展，工业和信息化部近日印发通知，组织开展2023年工业和信息化质量提升与品牌建设工作。明确了激励制造业企业向卓越质量攀升、开展质量标准品牌赋值中小企业专项行动、提升质量保障能力和水平、推动重点行业质量提升、加强品牌建设等五个方面16项重点任务。关于开展2 0 2 3 年工业和信息化质量提升与品牌建设工作的通知（工信厅科函【2 0 2 3 1 5 2 号）详见链接:https:/ dae56a3167e546bf9dab43b8e0742728.html.（来源：工信部官网）摘自液压液力气动密封行业信息2 0 2 3 年第6 期100