（机械电子工程专业论文）卸荷阀密封性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 阀门的密封性能是考核阀门质量优劣的主要指标之一，影响阀门密封性能的因素主 要有：密封面质量、密封面宽度、压力差、密封面材料、介质性质、环境温度、密封面 的刚性和结构特点等。本文对气动控制系统中的卸荷阀进行密封性能研究，着眼于密封 面处理状态及密封件刚性和结构特点，旨在解决阀门工作过程中的泄露问题，提高卸荷 阎试验合格率和稳定性，从而达到降低生产成本、提高装配效率的目的。 目前，计算密封性能的方法有解析法、边界元法和有限元法。有限元法是当今较好 的使用计算机研究密封的方法，可直观分析密封面的接触压力、接触穿透以及综合应力 分布，揭示其变化趋势，为密封件的设计提供依据。 课题研究从卸荷阀的介质性质、形位公差、配合间隙、材料特性、结构特点和装配 过程等方面入手，分析导致密封失效的原因，并结合有限元法制定卸荷阀密封性能的评 价标准。结合调研得到的数据，确定波纹带对阀芯的倾斜力矩是影响密封性能的最主要 因素。利用有限元分析软件a n s y s 建立波纹带的模型，进行接触分析计算。最后建立 阀芯、阀座及壳体密封结构的有限元模型，获得静态密封性能参数，结合试验结论分析 其结果。 本文结合试验数据与仿真结果，对卸荷阀中的涨圈和波纹带提出装配要求，以此来 规范装配过程。对密封结构部分元件提出了改进意见，并通过仿真分析得到了卸荷阀在 新的结构下的密封性能参数。 本文的研究工作对提高卸荷阀的密封性能有指导意义，并提出有利于卸荷阀密封的 设计方案。 关键词：卸荷阀；密封性能；波纹带；接触分析；a n s y s 卸荷阀密封性能研究 t h er e s e a r c ho ns e a l i n gp e r f o r m a n c eo ft h eu n l o a d i n gv a l v e a b s t r a c t t h es e a l i n gp e r f o r m a n c ei sm em o s ti m p o r t a n tc r i t e r i o no ft h ev a l v e t h ef a c t o r s ，w h i c h a f f e c tt h es e a l i n gp e r f o r m a n c e ，a r eq u a l i t i e sa n dw i d t h so fs e a lf a c e s ，p r e s s u r ed i f f e r e n c e ，s e a l f a c e sm a t e r i a l s ，m e d i u m p r o p e r t y ，t e m p e r a t u r e ，c o m p o n e n t sr i g i d i t y ，a n d s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s t h er e s e a r c ho ns e a l i n gp e r f o r m a n c eo ft h eu n l o a d i n gv a l v e ，b a s i n go ns t a t e s o fs e a lf a c e sa n ds 缸u c t t t r ec h a r a c t e r i s t i c s ，i so nt h ep u r p o s e so fp r e v e n t i n gl e a k a g ea n d i m p r o v i n gt h eq u a l i f i e dr a t ea n ds t a b i l i t yo ft h eu n l o a d i n gv a l v e ，s oi tw i l lb eh e l p f u lf o r r e d u c i n gt h ep r o d u c t i o nc o s ta n di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fa s s e m b l y t h em e t h o d so fs e a l i n gp e r f o r m a n c ea n a l y s e sa r ea n a l y t i c a lm e t h o d ，b o u n d a r ye l e m e n t m e t h o da n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d f i n i t ee l e m e n tm e t h o di st h eo n et h a tu s i n gc o m p u t e rt o r e s e a r c hs e a l i n gp e r f o r m a n c e i tc a l ls h o wc o n t a c tp r e s s u r e ，p e n e t r a t i o n ，a n dm u l t i p l es t r e s s e s d i r e c t l yt or e v e a lt h ec h a n g i n gr e g u l a ra n dp r o v i d et h ee v i d e n c ef o rd e s i g no fs e a ls t r u c t u r e m e d i u mc h a r a c t e r ，g e o m e t r i ct o l e r a n c e ，f i tc l e a r a n c e ，m a t e r i a lp r o p e r t i e s ，s t r u c t u r e c h a r a c t e r sa n da s s e m b l yp r o c e s sa r et h ep o t e n t i a lf a c t o r sw h i c hl e a dt h eu n l o a d i n gv a l v et o l e a k c o m b i n e dw i 廿1f i n i t ee l e m e n tm e t h o d a ne v a l u a t i o ns t a n d a r df o rs e a l i n gp e r f o r m a n c ei s p r o v i d e d c o n t r a s t i n gt ot h ed a t a o fs u r v e y ，c o n f i r mt h a tt h e o v e r t u r n i n gm o m e n to f c o r r u g a t e dr i b b o ni st h ep r i m a r yf a c t o ro fs e a l i n gp e r f o r m a n c eo fu n l o a d i n gv a l v e us e a n s y s ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e ，t oc o n t r a c t u r et h em o d e l so fc o r r u g a t e dr i b b o na n d e x p a n s i o nr i n g ，a n dp r o c e s st h ec o n t a c ta n a l y s i s a tl a s t ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ef m i t e e l e m e n tm o d e l so fs e a ls t r u c t u r ew h i c hc o n s i s ti nv a l v ec o r e ，s e a ta n ds h e l lt oa c q u i r et h e p a r a m e t e r so f s t a t i cs e a l i n gp e r f o r m a n c e ，a n dc o n t r a s tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a a ne f f i c i e n ta s s e m b l yr u l e ，b a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t aa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，a r ep u t f o r w a r dt om a k ea s s e m b l yp r o c e s s e ss t a n d a r d i z a t i o na n di m p r o v et h es e a l i n gp e r f o r m a n c e s u g g e s t i o n sf o ri m p r o v e m e n to fs e a l i n gp e r f o r m a n c ea r ep r o v i d e d ，a n dt h en e wp a r a m e t e r so f s e a l i n gp e r f o r m a n c ea r ea c q u i r e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o n t h er e s e a r c hh a sg u i d i n gs i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h es e a l i n gp e r f o r m a n c e ，a n dg i v e s t h es u g g e s t i o n sw h i c ha r ep r o p i t i o u st os e a l k e yw o r d s ：u n l o a d i n gv a l v e ；s e a l i n gp e r f o r m a n c e ；c o r r u g a t e dr i b b o n ；c o n t a c ta n a l y s i s ； a n s y s i i 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目纽盏因凌麴= 】兰硷叠鱼： 作者签名：蚴垄 日期：丝堕l 年堕月当 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1密封性能研究综述 1 1 1 密封性能的研究内容 密封是防止流体或固体微粒从相邻结合面间泄露的零部件或措施。卸荷阀的密封属 于典型的机械密封，即利用弹性元件或高压流体压紧动环和静环两端面实现密封功能， 又称端面密封。这种密封方式具有承载能力高、功耗低及磨损自动补偿等特点【l j 。同时 随着新材料和新技术的涌现，机械密封广泛应用于石油、化工、航空航天、原子能核电 等行业【2 ，3 】。密封性能的研究是指密封环的机械变形对密封性的影响，而变形量与接触压 力是成正比例关系的，因此密封性能的研究也可以是密封面接触压力分布研究。影响密 封环压力分布和变形的因素有密封面加工质量、密封环面积、压力差或弹性元件惯性力 大小、密封面材料特性及其处理状态、介质性质、环境温度、元件的刚性和结构特点等。 1 1 2 密封性能的研究方法 研究密封性能的方法主要有解析法、边界元法和有限元法。 ( 1 ) 解析法 解析法是通过数值计算获取密封环机械变形的方法。海因策假设是一种早期的研究 方法，假设机械密封遵守流体力学规律，通过密封间隙的泄露可以用径向环形缝隙层流 动的公式作为基础【4 】。该方法只有机械密封装置在流体动力区域内运转的情况下成立， 且适用于密封面单一，密封结构简单的计算。变形分量叠加的计算方法是根据从力和温 度角度分析变形的原因，为变形的解析求解奠定了理论基础【5 】。而较为成熟的解析法是 从材料力学理论出发，应用壳体力矩理论，对密封环的变形进行分析研究。可以将总变 形看作是力矩变形、径向力变形和轴向径向温度梯度造成的变形叠加，同时将环界面分 成若干区域，建立变形协调方程进行计算【6 】。解析法的优点是计算量小，但由于解析法 的理论前提比较理想，多数假设忽略实际情况中的各因素影响，因此不适合复杂模型的 计算。 ( 2 ) 边界元法 边界元法是在经典积分方程的基础上，吸收了有限元法的离散技术而发展起来的计 算方法。它是基于控制微分方程的基本解来建立相应的边界积分方程，再结合边界的积 分而得到的离散算式。其具有计算精度高，准备工作少，易于求解无限域等特点。此外， 卸荷阀密封性能研究 由于只在边界上积分，因此实际上是将问题降维处理，即减少代数方程组的未知数，且 其本身具有奇异性，因此对工程中的奇异问题可以得到良好的结果1 7 j 。 ( 3 ) 有限元法 有限元法的基本思想是用有限个单元将连续体离散化，通过对有限单元作分片并插 值求解各种力学、热能、磁能等问题的数值方法。有限元法把连续体离散成有限单元： 杆系结构的单元是每一个杆件；连续体的单元是各种形状( 如三角形、四边形、六边形 等) 的单元体。每个单元的场函数是只包含有限特定节点参量的简单场函数，这些单元 场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。根据能量方程或加权残量方程可建立 有限待定参量的代数方程组，求解此离散方程组就得到有限元法的数值解。有限元法的 主要优点是对不规则区域的适应性好；其主要缺点是计算的工作量大。大型有限元分析 软件，如a n s y s 、a b a q u s 和f l u e n t 的出现缓解了有限元法带来的繁琐，使有限元 的使用越来越简便，加速了有限元法的普及。 机械密封环有限元法的理论研究中通常采用轴对称有限元模型，该模型综合了平衡 方程、几何方程、物理方程和虚功方程，在系统方程中包含了由温度变化引起的等效节 点载荷，并采用三角形环形单元进行了离散，形成了相对完整的机械密封环变形有限元 分析理论体系，实现了密封环机械变形的计算【8 】。此外有限元法还可以直观获得密封面 接触压力分布等数据，解决了密封面压力难以测量，数据缺乏等问题，为密封性能研究 提供了新的途径。由于模型对摩擦热分布进行了简化处理，因此热变性分析部分计算精 度不高。变形的数值计算的优点在于有限元法的变形分析不受密封环截面形状复杂程度 的限制，研究周期短，并可部分模拟机械密封环实际的工况，其缺点是无法体现变形的 温升相互影响。 1 2 密封性能研究现状 目前，国际上机械密封性能的研究主要分为机械密封环变形、温度场及热一机构耦 合三个方向。 1 2 1 机械密封环变形 内外侧压差是导致机械密封环密封端面变形的一个重要原因。随着机械密封技术向 高压、高速、高温和大直径等方向的发展，机械密封环的变形问题就尤为突出，严重影 响着密封性能。导致变形的原因有两方面：机械和热1 9 j 。目前被普遍认同的端面变形形 状为锥形或梯形【1 0 , 1 1 】。密封端面一旦产生锥形或梯形变形，将导致泄漏量增加，端面局 部应力集中，以致局部过度磨损和高温，影响整个端面的密封性能。为尽量减小锥形或 大连理工大学硕士学位论文 梯形变形，需要通过理论分析来了解并掌握其中的变形规律。目前变形理论分析方法主 要分为解析法和数值计算法两种2 。 迈尔根据圆环理论，从力和温度角度提出了将各变形分量叠加的计算方法，为变形 的解析求法奠定了基础。张宝忠u 列等从轴对称变形和材料力学等理论出发，提出了将力 矩变形、径向力变形和因轴向、径向温度梯度产生的变形叠加来计算总变形的方法。然 而，由于该方法是建立在皮采诺环形零件的轴对称变形理论基础上的，只能适用于单一 矩形截面和密封结构相对简单的计算，且其忽略了密封环本身的伸缩与弯曲影响，因此 计算的变形值相比实际变形量偏大【1 4 】。 解析法的最大优点是计算量小，但由于解析法对理论前提要求较理想，与实际情况 相差较大。且现今密封结构多较为复杂，即解析法计算量加大，因此，不适合结构复杂 且影响因素多维的密封计算。 t g d o u s t r l 采用边界元法建立了机械密封变形计算模型，并编制了相应的程序。 由于有限元法原理相对简单，且有限元方面的应用软件很多，如a n s y s ，m r c ，a b a q u s 等，因此采用有限元法进行分析密封变形的研究较多，而且基于有限元软件平台求解机 械密封变形已逐渐成为研究的主流。党建军【8 】和陈利海i l5 j 建立的机械密封环轴对称有限 元模型综合了平衡方程、几何方程、物理方程和虚功方程，并采用三角形环形单元进行 了离散，形成了相对完整的机械密封环变形有限元分析理论体系。与此同时，陈利海还 在系统方程中纳入了由温度变化引起的等效节点载荷，实现了简单的热变形计算。z h u h a r t h u a 建立了机械密封端面的机械变形方程，为深入进行泄漏量计算和密封结构改进 奠定了理论基础。 李鳃【1 6 1 和李小酬1 7 1 等则建立了在密封端面上引入虚拟“杆元的变形分析有限元模 型，模型的新颖之处在于两点： ( 1 ) 提出了将两密封环合为一体研究的总思路； ( 2 ) 巧妙利用虚拟“杆元”的受压或受拉来判断密封端面的接触与分离。 由于有以上两点，变形分析模型就很接近机械密封环的实际工况。不过由于对摩擦 热分布进行了简化处理，因此热变形分析部分计算精度不高。 变形的数值计算研究现状说明，有限元法的变形分析不受密封环截面形状复杂程度 的限制，并可部分模拟机械密封环实际工况，提供实验和解析法难以获得的密封参数， 因此应用和发展潜力很大。 卸荷阀密封性能研究 1 2 2 温度场 机械密封环端面的贴合摩擦将引起端面高温，加剧端面磨损、烧伤、热裂，这些因 素一旦累积，将诱导密封装置迅速失效。从保证机械密封装置长期可靠运转的角度出发， 需要对端面温升规律进行理论分析，以便采取有效的温控措施。早期，温度场分析主要 局限于端面平均温度的计算，国外学者很早就从不同角度开始了相关的理论研究，主要 的研究理论成果有【1 4 】：格鲁别也夫法，根据密封材料的导热性优劣，采用不同的导热计 算公式；迈尔方法，仅考虑摩擦热沿环轴向导出；布克方法，也采用一端对流导热模型， 但根据截面形状和热载荷分布状况的不同分成了三类情况，将可计算的截面形状由矩形 扩展到l 形或复杂形状，同时布克方法还引入了传热效率，使模型的实用性提高；萨墨 一史密斯法，采用肋片一端给热的摩擦热导出模型。在一端对流导热肋片模型的基础上， 顾永泉【1 4 】采用修正系数、密封结构和工况等因素结合，确定对流换热系数，在一定程度 上提高了求解的准确程度。p a s c o v i c i 1 8 】等人用解析法推导了端面温度分布的计算式，由 于在推导过程中应用了附加条件，计算准确性不高。 随着密封装置工作负荷的增加，端面的热弹性问题导致即便在很窄的密封端面上， 各径向方向的温差大。从而提出了对机械密封环的整个温度场进行精确分析的需要，目 前采用的主要手段为有限元法。 在机械密封环温度场的数值求解上，目前主要有两种方法：独立计算与整体分析。 山东大学程建辉【1 9 】建立的机械密封环温度场有限元计算模型就是采取独立计算的思路。 由于是对密封环单独建模，因此就涉及到两密封环端面的热量分配问题。针对此问题， 程建辉根据两环端面温度一致的原则，提出了折半查找热量分配系数的解决方法。 在温度场分析中，关键参数有对流换热系数和摩擦系数。目前确定对流换热系数有 解析解和数值解两种方法。解析解即根据经验公式计算对流换热系数，常用算法为根据 静环与动环内外侧流场的不同，分别计算对流换热系数，彭旭东1 2 d j 、宋亚东【2 、王胜军 2 2 1 等人均有详细介绍；数值法通常通过建立有限元模型计算对流换热系数。较典型代表 为丁群提出的在a n s y s 软件f l u e n t 模块中进行热场与流场耦合分析的方法，该方法 可求出密封环边界各节点对流换热系数。在摩擦系数计算方面，李宝彦田j 等介绍了根据 密封准数计算摩擦系数方法，使用范围仅限于流体摩擦；顾永泉综合了相对全面的摩擦 系数计算法：分析计算法、加权平均法和经验数据法，并给出各方法的计算示例 2 4 j ；葛 培琪【2 5 】等基于混合摩擦理论，提出了根据密封端面液膜剪切力精确计算摩擦系数方法。 总体而言，由于摩擦系数的影响因素很多，尚没有系统计算摩擦系数模型。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 3 热一结构耦合 在藕合分析的研究上，国外学者做出的工作较多，他们的研究类型不仅包括稳态， 还包括瞬态。耦合的物理场不但包括应力场和温度场，而且还包括流场。 r a h u ln s a m a n t 等人就在a n s y s 软件上为机械密封环进行热一结构耦合分析做了 铺垫性工作【2 6 1 。使用具有热和结构分析能力的轴对称单元p l a n e1 3 来建立密封环的模 型，用l i n k3 4 来模拟端面的接触热传导，且采用点对点接触单元c o n t a c l 2 模拟摩 擦生热。p a r v i z 使用有限元软件f l u e n t 对机械密封的温度场和流场进行了计算【2 7 】。 b e m a r dt o u r n e r i e 等人针对密封的启动过程，建立了热动力瞬态仿真模型，使用影响系 数方法对模型进行热一弹性计算1 2 8 1 。t o ml 触等使用c s t e d y 软件建立了相应的耦合 模型，该模型可预测密封环变形、温度、端面液膜厚度和泄漏率等衡量密封性能的参数 【2 9 】 o 对于耦合分析，国内也有类似的研究。其中丁群建立的流场、热场和应力场耦合的 系统模型【3 0 1 。模型将三场的耦合分为三个过程：首先进行热流场直接耦合分析，求出换 热边界的对流系数，再次进行流热场间接耦合分析求出温度场，最后进行热应力场的间 接耦合，得到热应力分布。 温度场分析是基于摩擦生热导致密封面温度变化，从而影响密封性能，对于动密封 及环境温度多变的情况较为适用。其缺点是考虑因素单一，仅以密封面温度变化为研究 对象。而本文中，环境温度为超低温，且密封为静态，密封面基本没有滑动和转动摩擦， 因此热量可以忽略不计，因此不适宜采用此方法。热一结构耦合是综合了机械密封环的 变形和温度场的影响，虽然考虑因素更为全面，但温度变化还是主导因素，主要适用动 密封问题的研究。机械密封环变形中的解析法计算，其计算量小，但计算精度低，且理 论前提要求过于理想化，不适合复杂的密封结构；而数值计算，即有限元法不受结构限 制，计算精度高，适用性强，对本文的研究对象较为适用。 现有的机械密封环变形数值计算方法中，均以变形量为研究对象，判别依据为密封 环接触即为有效密封，分离即为泄漏，密封面接触后即不再分离。此类方法中模型多采 用轴对称单元建立，初始状态为理想情况，各配合元件轴线完全重合，密封环变形量在 各周向方向上变化趋势完全相同。而本文中的研究对象由于其结构的特殊性将导致配合 元件轴线不重合，密封环变形量周向分布差别较大，且工作过程中密封面多次分离结合， 存在塑性变形及变形量的累加，接触不再是保证密封的充分条件。针对卸荷阀的特点， 本文以密封面接触压力分布为研究对象，并制订了新的密封判别标准和性能评价标准。 此外，由于采用有限元分析软件，接触压力相对于变形量更容易获得，有利于结果分析。 卸荷阀密封性能研究 1 3 研究的背景及意义 本文研究的对象是气动控制系统中某型号卸荷阀的主阀密封结构。该卸荷阀是气动 控制系统的重要组成元件，其密封性能要求高。卸荷阀工作的环境温度为2 0 k ，工作压 力范围为1 , - - 一2 1 m p a 。为了保证卸荷阀在如此恶劣的工况下仍然具有良好的密封性能， 需要对装配的成品进行实验检测。因需要严格保证卸荷阀的密封性和可靠性，经过多次 低温实验检测合格的才能应用于工程实践中。但是目前卸荷阀的装配成品实验通过率 低，一次试装合格率不足2 0 。卸荷阀的材料和3 n - r - 成本高，试验过程复杂，条件苛刻 并耗资巨大，需求量也日益增加，过低的产品一次试装合格率不但限制了企业的经济效 益，也制约了产品的批量生产。 通过对卸荷阀的密封性能仿真分析，分析导致卸荷阀泄露的因素。同时提出改进意 见，并通过仿真分析结果提供理论依据。 1 4 研究的内容 本文的研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 分析影响密封性能的因素 在对现有问题的分析和查阅文献的基础上，确定机械密封环的变形为导致密封失效 的主要原因。而密封环的变形是与密封接触压力成正比关系的，但由于接触压力难以通 过试验获得，且密封结构复杂，影响因素为多维，不适宜采用解析法计算。因此，通过 有限元法分析密封平面上的压力分布情况，建立压力分布规律和密封性能之间的关系， 揭示影响密封性能的因素。首先，逐个剖析可能影响卸荷阀密封的因素，包括密封介质， 形位公差，配合间隙，材料特性，结构特点以及安装过程等，为解决问题，提高密封性 能做准备工作。 ， ( 2 ) 波纹带及涨圈影响的仿真 通过对各个影响因素的分析，确定波纹带涨圈结构与配合间隙的耦合作用为影响密 封性能的最主要因素。对波纹带和涨圈建立有限元模型，并利用有限元分析软件a n s y s 的接触分析模块，对不同的工况下波纹带和涨圈对阀芯的影响进行仿真分析，对得到的 数据进行处理，为阀芯、阀座和壳体的整体密封性能计算提供载荷数据。 ( 3 ) 卸荷阀密封性能的有限元分析 在得到波纹带和涨圈结构对阀芯的倾斜力矩作用后，建立阀芯( 文中均为主阀芯) 、 阀座和壳体的整体密封结构有限元模型。再次采用a n s y s 接触分析模块，计算此倾斜 大连理工大学硕士学位论文 力矩在极限工况下对密封性能的影响。根据计算结果，分析卸荷阀密封面上的接触压力 分布，接触穿透以及综合应力分布等，并对比试验数据验证其结论。 ( 4 ) 卸荷阀密封结构的优化设计 在得到密封结构整体的仿真数据后，以此为依据提出密封结构的改进意见，包括规 范波纹带涨圈结构的加工和装配过程，改变波纹带尺寸参数，改变密封面壳体材料、密 封结构，以及提升密封结构件的加工工艺等。并针对波纹带结构和密封面材料改进部分， 对新条件下的密封性能进行仿真分析。对比改进前后的压力分布等数据，验证其有效性， 为提高卸荷阀密封性能的设计提供理论依据。 卸荷阀密封性能研究 2 影响卸荷阀密封性能的因素 2 1卸荷阀的工作原理及密封试验方法 2 1 1卸荷阀的工作原理 本文研究对象为先导式卸荷阀，如图2 1 所示。 图2 1 卸荷阀结构示意图 f i g 2 1 s t r u c t u r eo fu n l o a d i n gv a l v e 卸荷阀是由先导阀和主阀两部分组成的，其工作状态有两种：开启状态和关闭状态。 按照卸荷阀的工作原理，工作过程包括以下三种： 背压过程：高压气体由入口进入，由于主阀芯结构中的涨圈存在开口，低温高压氦 气由入口腔泄漏至主阀腔。此时先导阀芯处于闭合状态，因此在主阀腔形成高压状态， 并使主阀芯闭合，完成背压的建立过程。背压完成后，先导阀芯和主阀芯均处于闭合状 态，入口腔和主阀腔为高压状态，出口腔为低压状态，卸荷阀关闭。 大连理工大学硕士学位论文 开启过程：电磁线圈通电，受磁力作用，顶杆快速下移打开先导阀，主阀腔和出口 腔连通，主阀腔压力降低，主阀芯逐渐左移，开始卸荷。主阀芯经过短时间调整后达到 一种平衡状态，此时入口腔为高压状态，主阀腔和出口腔为低压状态，卸荷阀开启。 关闭过程：电磁线圈断电，顶杆在复位弹簧的作用下，快速复位，先导阀关闭。主 阀腔和出口腔的连通被切断，高压氦气由入口腔通过涨圈开口处泄漏至主阀腔，重新完 成背压；主阀芯关闭，终止卸荷过程，主阀芯经过短时间调整后再次闭合。此时，入口 腔和主阀腔为高压状态，出口腔为低压状态，卸荷阀关闭【3 1 】。 卸荷阀密封性能研究主要集中在主阀芯关闭状态下。卸荷阀主阀芯密封结构如图 2 2 所示。 图2 2 卸荷阀主阀密封结构 f i g 2 2s e a l i n gs t r u c t u r eo fu n l o a d i n gv a l v e 卸荷阀密封性能研究 阀芯在高压气体及复位弹簧的作用下，沿轴线方向朝壳体端面移动。因密封面前后 存在压力差，且压力作用面积的不同，阀芯端面与壳体端面靠拢压紧，实现密封。此过 程中，阀座及壳体相对静止不动，波纹带张紧力作用于涨圈，为系统提供阻尼，保证密 封过程平稳。 在背压建立过程中和阀门经过调整达到关闭状态下，很大比例产品在试验中不能达 到相应的检验标准，存在超额泄漏问题。因此，卸荷阀密封性能的研究是在主阀芯处于 稳态的情况下进行的。 2 1 2 卸荷阀的实验方法及失效评判标准 将卸荷阀装入气动系统后，用不低于1 m p a 的常温氦气使其工作，对系统进行置换。 之后，入口处通入温度为2 0 k 的低温氦气，当压力分别为2 1 m p a 、7 m p a 、5 m p a 和1 m p a 时，将电磁铁通电，使阀门工作多次，记录泄露量。试验系统中使用氦气浮子流量计测 量泄漏量。不同压力状态下，失效的评判标准不同，具体如表2 1 所示。 表2 1 卸荷阀密封失效评判标准 t a b 2 1 u n l o a d i n gv a l v e se v a l u a t i o ns t a n d a r do fs e a l i n gf a i l u r e 工作压力( m p a ) 泄漏量( m l s ) 2 1 7 5 1 4 4 2 0 5 0 此处的泄漏量是指宏观泄漏量，即气体分子通过密封面之间的缝隙泄漏；而微观泄 漏量是指气体分子透过材料毛细管道泄露，且介质为高压气体时，微观泄漏必然存在， 但相对比失效评判标准很小，故此处不予考虑。泄漏量测量的环境为2 0 k ，且不考虑泄 露气体的压力变化，仅记录流量。 2 2 影响密封性能的因素 2 2 1介质性质 卸荷阀中的密封流体为低温氦气。氦有两种同位素，氦4 是主要存在形式，氦3 是 氚的放射性产物，在自然氦气中的原子丰度仅为0 0 0 0 1 3 7 ，本文研究的对象为氦4 ， 下文出现的氦均指氦4 。 大连理工大学硕士学位论文 在室温和大气压力下，氦是一种无色、无味、无毒的气体，其化学性质极为稳定， 不能燃烧，也不助燃，通常情况下不与任何元素化合。氦是具有很强的扩散性( 低粘度) 、 良好的导热性以及低密度、低溶解度、地蒸发潜热等特殊性质。氦的临界温度为5 1 9 5 3 k ， 临界压力为0 2 2 7 4 6 m p a ，正常沸点为4 2 3 k ，是自然界中最难液化的气体。 由于气体分子的直径难以测量，因此氦气的分子直径没有准确值。根据项目合作方 提供的试验数据，认为在间隙大于7 0 r i m 的条件下，氦气分子即可通过，发生泄漏。因 此，要求卸荷阀密封环面在关闭状态下间隙极小。 2 2 2 形位公差 加工后的零件不仅有尺寸偏差，构成零件几何特征的点、线、面的实际形状或相互 位置与理想几何体规定的形状和相互位置还不可避免地存在差异，这种形状上的差异就 是形状偏差，而相互位置的差异就是位置偏差，统称为形位公差。卸荷阀主阀密封结构 中，标注的形位公差要求有径向圆跳动公差和端面垂直度公差。 径向圆跳动的公差带是在垂直于基准轴线的任一测量平面内、半径差为公差值t 且 圆心在基准轴线上的两同心圆之间的区域，如图2 3 所示。 图2 3 径向圆跳动公差定义 f i g 2 3 d e f m i t i o no fr a d i a lc i r c u l a rr u n - o u tt o l e r a n c e 径向圆跳动综合了圆度误差、轴线的直线度误差与同轴度误差。径向圆跳动公差可 影响阀芯与阀座的接合面质量，但由于加工技术手段和测量工具所限，径向圆跳动公差 无法获得精确值，其设计公差值由机床的加工精度保证。由于其精度等级相对于尺寸公 差带较小( o 0 1 m m ) ，因此忽略径向圆跳动公差对密封的影响。 卸荷阀密封性能研究 垂直度公差是指公差带距离为t 且垂直于基准线的两平行面之间的区域，如图2 4 所示。 图2 4 垂直度公差定义 f i g 2 4 d e f i n i t i o no fp e r p e n d i c u l a r i t yt o l e r a n c e 垂直度误差综合考虑了线垂直度和平面度误差。当平面度误差为0 时，即为理想光 滑平面。但线垂直度误差不为o 的情况下，阀芯轴线对称面将会出现梯形结构。通过实 地调研得知，密封结构件中的阀芯、阀座与壳体均为一次装卡且由成型刀具回转加工而 成，因此不存在或者可以忽略线垂直度误差影响，即垂直度误差仅与端面的平面度误差 有关。由于均为回转加工，垂直度公差中的平面度误差将以密封端面出现微小锥度的形 式出现。考虑到密封面的配合特点，在阀芯与壳体轴线重合的情况下，在压力差和复位 弹簧的作用下，这种微小锥度不会影响机械密封环接触。而当轴线不重合时，必将导致 密封面接触压力沿周向分布不均，密封环变形量不同，导致泄漏。同样，密封端面的垂 直度公差由于技术和测量工具所限，无法获得，只能通过刀具和机床的加工精度保证。 在后续章节将讨论垂直度公差对密封性能的影响。 2 2 3 配合间隙 轴孔配合存在三种配合类型，即间隙配合、过渡配合和过盈配合。阀芯和阀座的配 合方式为间隙配合，即阀座的公差带完全在阀芯公差带之上；而阀座与壳体的配合为过 盈配合，即壳体的公差带完全在阀座公差带之下。由于阀芯和阀座尺寸公差上下限的存 在，配合间隙即存在最大和最小极限情况。设阀座的内径尺寸为d 搋1 ，阀芯的外径尺 寸为d 饶；，在同轴的情况下，则单侧最大间隙为： 大连理工大学硕士学位论文 d 。，：m a x l - m i n 2 ( 2 1 ) 口础2 = 一 l z 1 ， z 单侧最小间隙为： d 旆：m i n l - m a x 2 ( 2 2 )赫= l z z j 2 尺寸公差和形位公差在标注和测量中应满足独立原则，即图样上给定的尺寸和形 状、位置要求均是独立的，应分别满足。独立原则是尺寸公差和形位公差相互关系遵循 的基本原则。符合独立原则的形位公差和尺寸公差互不干涉、互不控制：形位公差和尺 寸偏差分别检测和评定【3 2 1 。 由于间隙的存在，配合过程中如果存在扭矩作用，阀芯将产生倾斜，即轴线不重合。 在端面垂直度为0 的理想情况下，阀芯端面将与壳体端面出现夹角，影响密封面的压力 分布等参数。因此，配合间隙是必须考虑的因素。 2 2 4 材料特性 密封结构的材料特性将直接影响密封性能参数。而低温高压的工作环境下，对材料 性能提出了更高的要求。如密封环两端面材料，应保证在2 0 k 的低温环境下，仍具有足 够的韧性和屈服极限；在2 1 m p a 的高压工作环境下，抗冲击能力强，塑性变形低。此 外密封面上的变形及压力分布与材料特性息息相关，是影响密封性能的客观参数条件， 直接关系到密封失效与否。 阀芯由两种材料组成，密封端面为聚四氟乙烯，其余部分为1 c r l 8 n i 9 t i ，采用材料 接合技术黏结在一起，之后加工而成。阀座和壳体材料同为l c r l 8 n i 9 t i ，而波纹带材料 为合金3 j 1 ，涨圈材料为聚四氟乙烯。 聚四氟乙烯又称p t f e 或f 4 ，由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，具有优良的 化学稳定性、耐腐蚀性，密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力、耐温 优异。温域范围广，最高使用温度为5 2 3 k ，在2 0 k 的低温仍具有良好的弹性。其拉伸 强度为2 1 - 一2 8 m p a ，弯曲强度为1 1 1 4 m p a ，伸长率为2 5 0 - 3 0 0 。 阀芯端面使用这种工程塑料，主要是因为它的耐低温性，温度下降到7 7 k 时，伸长 率仍能达到5 ，机械韧性良好。此外，它的摩擦系数小，对1 c r l 8 n i 9 t i 的摩擦系数为 0 0 4 ，润滑性好，适合密封。且其滑动摩擦系数等于静摩擦系数，因此阀门的开闭起始 过程平稳，有利于动态性能的提升。 常温下，聚四氟乙烯的泊松比约为o 4 ，2 0 k 低温条件下，泊松比基本保持不变。 聚四氟乙烯的弹性模量随温度变化曲线如图2 5 所示。聚四氟乙烯为非脆性材料，其压 缩屈服极限随温度变化曲线如图2 6 所示。 卸荷阀密封性能研究 2 5 2 15 罡 罐 v _ i 0 5 0 o5 0l i 5 02 2 5 03 0 0 t 。k 图2 5 聚四氟乙烯弹性模量温度曲线 f i g 2 5 e l a s t i cm o d u l u so fp t f ec h a n g e sw i t ht e m p e r a t u r e 6 01 5 0 主4 0 苫 苦 3 0 2 0 o o5 0l i 5 02 2 5 03 温度肛 图2 6 聚四氟乙烯压缩屈服极限一温度曲线 f i g 2 6c o m p r e s s i v ey i e l dl i m i to fp t f ec h a n g e sw i t ht e m p e r a t u r e 1 c r l8 n i 9 t i 是最常用的奥氏体不锈钢之一，它的耐腐蚀性能、强度和塑性均较高。 其泊松比在2 0 k 的温度下近似为o 3 。根据项目合作方提供的试验数据，其在2 0 k 下的 应力应变曲线如图2 7 所示。 大连理工大学硕士学位论文 o l23456 应变 图2 72 0 k 下i c r l 8 n i 9 t i 应力一应变曲线 f i g 2 7 s t r e s s - s t r a i nc u r v eo f1c r l8 n i 9 t ii n2 0 k 1 c r l 8 n i 9 t i 的力学性能如表2 2 所示。随着温度的降低，断后伸长率先下降继而上 升，收缩率下降明显。其屈服强度随温度变化并不明显，基本保持不变，但弹性模量随 温度下降而下降。在2 0 k 时，抗拉强度高达2 0 1 0 m p a 。 表2 21 c r l 8 n i 9 t i 力学性能 t a b 2 2m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so flc r l8 n i 9 t i 高弹性合金3 j 1 ( 0 c r l 2 n i 3 6 t i 3 m ) 是奥氏体沉淀硬化型合金，具有高韧性和良好 的抗松弛性能，优良的耐蚀性能，无磁等特点。在温度为2 0 k 的低温环境下，仍能保持 很好的弹性和韧性，是理想的低温膨胀材料。合金3 j 1 的弹性模量随温度降低而升高， 2 0 k 下约为2 0 6 1 0 5 m p a ，泊松比约为0 3 。合金3 j 1 的力学性能和部分物理性能如表 2 3 所示。 啪 誊l 啪 瑚 雠 辨 椭 蕈| 瑚 啪 。 芒=、r蠲 卸荷阀密封性能研究 表2 3 合金3 3 1 力学及物理性能 t a b 2 3m e c h a n i c a la n dp h y s i c a lp r o p e r t i e so f3 j1 项目3 3 1 弹性模量e m p a 切变模量g 】l i p a 密度( g c m 3 ) 电阻率p ( 1 aq i n ) ) 磁化率k 1 0 6 维氏硬度h v 屈服强度6 0 2 m p a 1 8 6 5 0 0 。2 0 6 0 0 0 6 8 5 0 0 7 8 5 0 0 8 o 1 0 2 15 0 一9 5 0 4 0 0 - 4 8 0 7 0 0 由于无法得到低温下3 j 1 详细的应力一应变曲线，再与项目方接洽后商定模型中可 用理想双线性材料替代3 1 1 ，取其屈服极限为7 0 0 m p a ，强化阶段弹性模量为1 0 0 0 a 。 2 2 5 结构特点及安装 卸荷阀中，波纹带和涨圈结构为动态过程提供了阻尼，使开启和关闭过程平稳，减 缓阀门开闭对密封面的冲击。波纹带由厚度为0 1 3 r a m 的合金3 j 1 由成型工具加工成波 纹状，再弯曲成环，安装在阀芯沟槽内。然后再将涨圈任意部位沿与轴线成2 0 。3 0 。方向斜向剪开，放置于波纹带之上。由于涨圈存在斜口，在提供阻尼的同时不影响气 体通路。最后将阀芯放置于阀座中，适当调整，完成安装过程。 由于阀座内径限制，安装后涨圈径向受压，导致波纹带变形，并对阀芯产生径向作 用力。波纹带由直线型材料加工而成，因此在弯曲成环之后，存在开口。波纹带开口处 两端波纹对阀芯的作用力与其他波纹作用力大小不同，导致阀芯周向受力不均，合力不 为o 。由于密封结构中存在两套波纹带和涨圈，其目的是为阀芯提供导向作用。但当两 波纹带开口相角不为0 时，由于两波纹带之间导向长度的存在，阀芯必将受到倾斜力矩 的作用。考虑到阀芯与阀座的配合间隙，阀芯在卸荷阀未工作前便会产生倾斜。在工作 压力和复位弹簧的作用下，这种初始倾斜状态必然会对机械密封环的变形产生影响，甚 至可能导致密封面为分离状态。因此，波纹带和涨圈的结构特点，及安装后中波纹带开 口方向相位角的大小，是影响密封性能的关键因素，且应与工