CN112483691B - 一种防颤振碟形弹簧单向阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种防颤振碟形弹簧单向阀，括壳体、接管嘴、活阀、碟形弹簧、挡圈、调节圈、密封垫片；壳体和接管嘴大端对接在一起，通过压紧两者之间的密封垫片实现外部静密封，构成单向阀外部结构；活阀安装于壳体内后，可以沿着壳体轴向运动；壳体靠近单向阀入口处内端面设有环形的阀座结构；活阀前端面设有与阀座形状相匹配的非金属结构，与阀座接触形成环形密封带，以实现单向阀反向密封；碟形弹簧内边缘抵在活阀末端台阶处，外边缘与调节圈接触，实现轴向定位；碟形弹簧与活阀末端台阶、调节圈的接触位置均预留一定径向空间，确保碟形弹簧可以自由变形。挡圈安装于壳体内壁，挡圈内径略小于活阀端面直径，充当活阀开启后的限位结构。

Description

一种防颤振碟形弹簧单向阀

技术领域

本发明涉及一种防颤振碟形弹簧单向阀，特别是一种借助碟形弹簧屈曲时的负刚度特性避免活阀启闭时往复运动和颤振的单向阀。属于运载火箭阀门设计领域。

背景技术

单向阀是液体运载火箭增压输送系统中最基本的单机产品，通常由壳体、接管嘴、活阀、导向结构、弹簧元件、密封垫片等零部件构成。单向阀的功能是实现工作介质的单向流动：常规状态下，活阀在弹簧元件弹簧力作用下与壳体上的阀座结构接触，阀门为关闭状态；当单向阀入口压力升高时，活阀在压差力的作用下克服弹簧作用力开启，使得工作介质输送路接通；当单向阀入口压力低于出口压力时，活阀在弹簧力和压差力的作用下恢复关闭状态，阻断工作介质输送路并实现密封功能。

颤振是常规单向阀小流量开启时出现的典型现象。活阀开启后，弹簧变形量增加、弹簧力上升。当工作介质流量较小时，驱动活阀沿打开方向运动的压差力不足以持续克服弹簧力，因而导致活阀在平衡位置附近发生高频往复运动，即出现颤振。颤振会加剧活阀与导向面之间的黏着磨损，严重损耗了单向阀的使用寿命。因此，单向阀设计时应针对颤振问题采取相应的预防措施。

目前运载火箭箭上单向阀常用的防颤振技术包括增大活阀摩擦阻尼、设置活阀非金属衬套、设计活阀不平衡面积等。以上方法可以在一定程度上抑制单向阀颤振或提高单向阀对颤振的耐受程度，但是无法消除单向阀自激振动模式、不能彻底避免颤振。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种碟形弹簧单向阀，从工作原理上改进单向阀设计，消除单向阀自激振动模式，实现颤振预防。

本发明解决的技术方案是：一种碟形弹簧单向阀，该单向阀包括壳体、接管嘴、活阀、碟形弹簧、挡圈、调节圈、密封垫片；

壳体和接管嘴均为T型管结构，壳体和接管嘴大端对接在一起，通过压紧两者之间的密封垫片实现外部静密封，构成单向阀外部结构，壳体小端为单向阀入口，接管嘴小端为单向阀的出口；

壳体内壁、活阀侧壁均为圆柱面，确保活阀安装于壳体内后，可以沿着壳体轴向运动；

壳体靠近单向阀入口处内端面设有环形的阀座结构；活阀前端面设有与阀座形状相匹配的非金属结构，与阀座接触形成环形密封带，以实现单向阀反向密封；

活阀内部设有流道结构，使得活阀开启后介质可以通过单向阀；活阀末端靠近出口处设有台阶结构，作为碟形弹簧的一端的轴向支撑结构；调节圈安装于壳体内部，与壳体之间通过螺纹连接，用于调节碟形弹簧安装预压缩量，同时充当另一端的碟形弹簧的轴向支撑结构；碟形弹簧内边缘抵在活阀末端台阶处，外边缘与调节圈接触，实现轴向定位；碟形弹簧与活阀末端台阶、调节圈的接触位置均预留一定径向空间，确保碟形弹簧可以自由变形。

挡圈安装于壳体内壁，挡圈内径略小于活阀端面直径，充当活阀开启后的限位结构。

所述碟形弹簧型式为无支撑面碟簧。

所述密封带内径D₀、活阀开度h、碟形弹簧外径D通过如下方法确定：

(3.1)、根据碟形弹簧最小外径D_min与活阀开度h的关系式、单向阀阀座处环带流通面积计算公式、单向阀入口管路流通面积计算公式，确定密封带内径D₀、活阀开度初值，使得碟形弹簧最小外径D_min与密封带内径D₀相等时，单向阀阀座处环带流通面积与单向阀入口管路流通面积的绝对差值小于预设门限，即满足如下关系式：

其中，d₀为单向阀入口管路通径；δ为预设门限，取值为

(3.2)、将步骤(3.1)计算得到的活阀开度初值向上舍入并保留1位有效数字获得活阀开度h；

(3.3)、将步骤(3.2)确定的活阀开度h，代入碟形弹簧最小外径D_min与活阀开度h的关系式，得到碟形弹簧最小外径D_min；

(3.4)、将步骤(3.3)计算得到的碟形弹簧最小外径D_min向上取整获得碟形弹簧外径D。

所述碟形弹簧最小外径D_min与活阀开度h的关系式为：

其中：

D₀——密封带内径；

h——活阀开度；

p₁——单向阀开启压力，为设计输入参数；

F_fric——活阀摩擦力，通过试验确定，为设计输入参数；

E——碟形弹簧材料的弹性模量，为设计输入参数；

μ——碟形弹簧材料的泊松比，为设计输入参数；

λ——系数，

λ₁——系数，

n_s——裕度系数，取值大于1。

所述碟形弹簧厚度t通过如下公式确定：

所述碟形弹簧自由高度h₀通过如下公式确定：

碟形弹簧内径d需要通过求解如下非线性方程确定：

采用数值方法迭代求解获得方程解答后，取整后确定碟形弹簧内径d的设计值。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明提出了一种使用单个碟形弹簧作为弹性元件的单向阀产品，借助碟形弹簧压缩至屈曲后的负刚度特性，确保活阀在开启、关闭过程中运动顺畅、无往复运动，避免发生颤振；

(2)、本发明通过推导碟形弹簧参数与单向阀参数的关系，建立了单向阀中碟形弹簧零件设计流程，可以根据设计输入参数直接确定碟形弹簧参数，提升了产品设计效率。

(3)、本发明给出的碟形弹簧单向阀，具备结构简单紧凑，安装调节方便的优势。

附图说明

图1为碟形弹簧单向阀结构示意图。

图2为活阀开度与最小碟形弹簧外径的关系曲线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

1、碟形弹簧单向阀结构

本发明提供的一种碟形弹簧单向阀如附图1所示，该单向阀包括壳体、接管嘴、活阀、碟形弹簧、挡圈、调节圈、密封垫片。

壳体和接管嘴均为T型管结构，壳体和接管嘴大端对接在一起，通过压紧两者之间的密封垫片实现外部静密封，构成单向阀外部结构，壳体小端为单向阀入口，接管嘴小端为单向阀的出口；

壳体内壁、活阀侧壁均为圆柱面，确保活阀安装于壳体内后，可以沿着壳体轴向运动；

壳体靠近单向阀入口处内端面设有环形的阀座结构；活阀前端面设有与阀座形状相匹配的非金属结构，与阀座接触形成环形密封带，以实现单向阀反向密封；

活阀内部设有流道结构，使得活阀开启后介质可以通过单向阀；活阀末端靠近出口处设有台阶结构，作为碟形弹簧的一端的轴向支撑结构；调节圈安装于壳体内部，与壳体之间通过螺纹连接，用于调节碟形弹簧安装预压缩量，同时充当另一端的碟形弹簧的轴向支撑结构；碟形弹簧内边缘抵在活阀末端台阶处，外边缘与调节圈接触，实现轴向定位；碟形弹簧与活阀末端台阶、调节圈的接触位置均预留一定径向空间，确保碟形弹簧可以自由变形。

挡圈安装于壳体内壁，挡圈内径略小于活阀端面直径，充当活阀开启后的限位结构。

所述碟形弹簧型式为无支撑面碟簧。

2、碟形弹簧参数与单向阀参数的关系

碟形弹簧单向阀设计的关键在于选择合适的碟形弹簧参数，以满足活阀的启闭需求。按照GBT 1972-2005《碟形弹簧》中对无支撑面碟形弹簧的规定，碟形弹簧参数主要包括碟形弹簧外径D、碟形弹簧内径d、碟形弹簧厚度t以及碟形弹簧自由高度h₀。与上述参数相关的单向阀参数包括活阀开度h和密封带内径D₀。

标准GB/T 1972-2005给出碟形弹簧压缩时外力F与位移f之间的关系为：

式中：

F——碟形弹簧力，单位为牛顿(N)；

f——碟形弹簧位移，单位为毫米(mm)；

E——弹性模量，单位为兆帕(MPa)；

μ——泊松比；

t——碟形弹簧厚度，单位为毫米(mm)；

D——碟形弹簧外径，单位为毫米(mm)；

C——碟形弹簧外径与内径比值，C＝D/d。

d——碟形弹簧内径，单位为毫米(mm)；

h₀——碟形弹簧自由高度，单位为毫米(mm)；

K₁——系数。

根据上述关系式，为确保碟簧存在负刚度区间且碟形弹簧力F恒为正值，h₀和t应满足关系：

在碟形弹簧单向阀中，可以设定h₀和t的关系为：

由碟形弹簧压缩时外力F与位移f之间的关系式可计算碟形弹簧的负刚度区间为：

给定裕度系数n_s，可计算碟形弹簧单向阀关闭、开启时碟形弹簧压缩位移为：

f₁为碟形弹簧单向阀关闭时，碟形弹簧压缩位移；

f₂为碟形弹簧单向阀开启时，碟形弹簧压缩位移；

λ₁、λ₂为与裕度系数n_s相关的系数：

活阀的行程(即活阀开度h)为：

λ为与裕度系数n_s相关的系数，

因此，确定活阀开度h后，可计算碟形弹簧厚度t，进而计算碟形弹簧自由高度h₀。

将f＝f₁、h＝λt代入碟形弹簧压缩时外力F与位移f之间的关系式，计算单向阀关闭时的碟形弹簧作用力F₁为：

由于活阀开启时，作用于活阀上的工作介质压力应克服碟形弹簧作用力F₁，因此确定密封带内径D₀后，结合开启压力p₁、活阀摩擦力F_fric，根据受力平衡关系

可以导出：

考虑C＝D/d的范围通常在1～5之间，按照K₁的取值范围计算得到K₁的最大值不超过0.8，因此碟形弹簧外径D的取值应满足条件：

其中

3、碟形弹簧的设计流程

碟形弹簧单向阀设计区别于常规单向阀设计的关键点在于碟形弹簧设计，本发明基于碟形弹簧的载荷-变形特性，提出了碟形弹簧参数设计方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：给定设计输入参数，具体包括：碟形弹簧材料的弹性模量E、碟形弹簧材料的泊松比μ、单向阀开启压力p₁、活阀摩擦力F_fric以及单向阀入口管路通径d₀。

步骤S2：设计密封带内径D₀，并建立碟形弹簧最小外径D_min与活阀开度h的关系：

其中：

D₀——密封带内径；

h——活阀开度；

p₁——单向阀开启压力，为设计输入参数；

F_fric——活阀摩擦力，通过试验确定，为设计输入参数；

E——碟形弹簧材料的弹性模量，为设计输入参数；

μ——碟形弹簧材料的泊松比，为设计输入参数；

λ——系数，

λ₁——系数，

n_s——裕度系数，取值大于1。

具体的方法为：根据碟形弹簧最小外径D_min与活阀开度h的关系式、单向阀阀座处环带流通面积计算公式、单向阀入口管路流通面积计算公式，确定密封带内径D₀、活阀开度初值，使得碟形弹簧最小外径D_min与密封带内径D₀相等时，单向阀阀座处环带流通面积与单向阀入口管路流通面积的绝对差值小于预设门限，即满足如下关系式：

其中，d₀为单向阀入口管路通径；δ为预设门限，取值为

步骤S3：将活阀开度初值向上舍入并保留1位有效数字获得活阀开度h。

步骤S4：将活阀开度h代入碟形弹簧最小外径D_min与活阀开度h的关系式，获得碟形弹簧最小外径D_min，向上取整获得碟形弹簧外径D。

步骤S5：根据活阀开度h，计算碟形弹簧厚度t以及自由高度h₀：

步骤S6：根据密封带内径D₀、碟形弹簧外径D、活阀开度h以及，并结合标准GB/T1972-2005给出的K₁表达式，可建立关于碟形弹簧内径d的非线性方程：

采用数值方法迭代求解获得方程解答后，取整后确定碟形弹簧内径d的设计值，完成碟形弹簧设计。

实施例1

本实施例中所述的碟形弹簧单向阀结构，如附图1所示，其设计过程包括下列步骤：

步骤S1：给定设计输入参数。本实施例中，碟形弹簧材料的弹性模量E＝206000MPa、碟形弹簧材料的泊松比μ＝0.3，单向阀开启压力p₁＝0.5MPa，活阀摩擦力F_fric＝10N，单向阀入口管路通径d₀＝6mm。

步骤S2：设计密封带内径D₀。分别给定密封带内径D₀为10mm、15mm、20mm、25mm和30mm，裕度系数设为1.5，建立碟形弹簧最小外径D₀与活阀开度h的关系，如附图2所示。按照附图1所示的单向阀结构，碟形弹簧最小外径D_min应与密封带内径D₀大致相当。对于不同的密封带内径D₀，当碟形弹簧最小外径D_min与密封带内径D₀相等时，根据碟形弹簧最小外径D_min与活阀开度h的关系式确定的活阀开度初值分别为0.21mm、0.33mm、0.45mm、0.57mm和0.68mm。根据单向阀阀座处环带流通面积计算公式、单向阀入口管路流通面积计算公式，计算单向阀阀座处环带流通面积与单向阀入口管路流通面积的绝对差值分别为21.68mm²、12.72mm²、0mm²、16.49mm²、35.81mm²。预设门限

可见，密封带内径D₀为20mm时，关系式

成立，因此设计密封带内径D₀为20mm、活阀开度初值为0.45mm。

步骤S3：设计活阀开度h。将步骤S2获得的活阀开度初值向上舍入并保留1位有效数字，获得活阀开度h为0.5mm。

步骤S4：确定碟形弹簧外径D。将步骤S3获得的活阀开度h代入碟形弹簧最小外径D_min与活阀开度h的关系式，获得碟形弹簧最小外径D_min为24.365mm，向上取整获得碟形弹簧外径D为25mm。

步骤S5：根据活阀开度h，计算碟形弹簧厚度t以及自由高度h₀。按照公式

计算碟形弹簧厚度t＝0.411mm，按照公式

计算碟形弹簧自由高度h₀＝0.871mm。

步骤S6：确定碟形弹簧内径d。根据密封带内径D₀、碟形弹簧外径D、活阀开度h以及，并结合标准GB/T 1972-2005给出的K₁表达式，可建立关于碟形弹簧内径d的非线性方程。采用数值方法迭代求解得到d＝9.133mm，取整后设计碟形弹簧内径d为9mm。

碟形弹簧单向阀装配时，首先将活阀安装于壳体内，并安装挡圈。然后安装碟形弹簧并调整调节圈，调整调节圈的过程中测量活阀打开时的碟形弹簧作用力F₁。本实施例中，当碟形弹簧作用力F₁＝147.0796N且随着活阀打开而降低时，说明碟形弹簧预压到位，此时可对调节圈进行防松处理(如点涂502胶)。最后，安装密封垫片并拧紧接管嘴。

本发明虽然已经将实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (2)

1.一种防颤振碟形弹簧单向阀，其特征在于包括壳体、接管嘴、活阀、碟形弹簧、挡圈、调节圈、密封垫片；

壳体和接管嘴均为T型管结构，壳体和接管嘴大端对接在一起，通过压紧两者之间的密封垫片实现外部静密封，构成单向阀外部结构，壳体小端为单向阀入口，接管嘴小端为单向阀的出口；

壳体内壁、活阀侧壁均为圆柱面，确保活阀安装于壳体内后，可以沿着壳体轴向运动；

壳体靠近单向阀入口处内端面设有环形的阀座结构；活阀前端面设有与阀座形状相匹配的非金属结构，与阀座接触形成环形密封带，以实现单向阀反向密封；

活阀内部设有流道结构，使得活阀开启后介质可以通过单向阀；活阀末端靠近出口处设有台阶结构，作为碟形弹簧的一端的轴向支撑结构；调节圈安装于壳体内部，与壳体之间通过螺纹连接，用于调节碟形弹簧安装预压缩量，同时充当另一端的碟形弹簧的轴向支撑结构；碟形弹簧内边缘抵在活阀末端台阶处，外边缘与调节圈接触，实现轴向定位；碟形弹簧与活阀末端台阶、调节圈的接触位置均预留一定径向空间，确保碟形弹簧可以自由变形；

挡圈安装于壳体内壁，挡圈内径略小于活阀端面直径，充当活阀开启后的限位结构；

密封带内径D₀、活阀开度h、碟形弹簧外径D通过如下方法确定：

(3.1)、根据碟形弹簧最小外径D_min与活阀开度h的关系式、单向阀阀座处环带流通面积计算公式、单向阀入口管路流通面积计算公式，确定密封带内径D₀、活阀开度初值，使得碟形弹簧最小外径D_min与密封带内径D₀相等时，单向阀阀座处环带流通面积与单向阀入口管路流通面积的绝对差值小于预设门限，即满足如下关系式：

其中，d₀为单向阀入口管路通径；δ为预设门限，取值为

(3.2)、将步骤(3.1)计算得到的活阀开度初值向上舍入并保留1位有效数字获得活阀开度h；

(3.3)、将步骤(3.2)确定的活阀开度h，代入碟形弹簧最小外径D_min与活阀开度h的关系式，得到碟形弹簧最小外径D_min；

(3.4)、将步骤(3.3)计算得到的碟形弹簧最小外径D_min向上取整获得碟形弹簧外径D；

所述碟形弹簧最小外径D_min与活阀开度h的关系式为：

其中：

D₀——密封带内径；

h——活阀开度；

p₁——单向阀开启压力，为设计输入参数；

F_fric——活阀摩擦力，通过试验确定，为设计输入参数；

E——碟形弹簧材料的弹性模量，为设计输入参数；

μ——碟形弹簧材料的泊松比，为设计输入参数；

λ——系数，

λ₁——系数，

n_s——裕度系数，取值大于1；

所述碟形弹簧自由高度h₀通过如下公式确定：

所述碟形弹簧厚度t通过如下公式确定：

碟形弹簧内径d需要通过求解如下非线性方程确定：

采用数值方法迭代求解获得方程解答后，取整后确定碟形弹簧内径d的设计值。

2.根据权利要求1所述的一种防颤振碟形弹簧单向阀，其特征在于所述碟形弹簧型式为无支撑面碟簧。

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