CN113154062B - 阶梯密封结构及适用于大压力跨度的阀体结构 - Google Patents

阶梯密封结构及适用于大压力跨度的阀体结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种阶梯密封结构及适用于大压力跨度的阀体结构，阶梯密封结构包括座体以及配合芯，所述座体上设置有凸出端面以及座体流道，所述凸出端面沿座体流道的周向布置且凸出端面沿座体的径向向外依次设置有第一刃口、第二刃口，沿凸出端面凸出的方向上第一刃口凸出到第二刃口的外部；当所述配合芯受到朝向座体的第一压力挤压时，配合芯与第一刃口密封贴合；当配合芯受到朝向座体的第二压力挤压时，配合芯与第一刃口、第二刃口均密封贴合，第二压力大于第一压力，本发明采用阶梯双刃口形式，与配合芯一起形成软对硬阶梯双刃口密封结构，适用于大跨度压力工况，结构简单，设计巧妙，解决了整阀体积大、重量大的缺陷。

Description

阶梯密封结构及适用于大压力跨度的阀体结构
技术领域
本发明涉及流体密封结构领域，具体地，涉及一种阶梯密封结构及适用于大压力跨度的阀体结构。
背景技术
在航天阀门的使用过程中，经常会出现一些压力范围大的工况。比如某航天器的工作压力范围为4.5MPa～35MPa。在传统的设计中，通常采用普通的平面密封。密封力由弹簧力和气压力提供。为了在高压段使非金属变形量控制在弹性变化以内，阀座刃口就必须设计得较宽，但低压时阀门密封副的密封比压就很低，无法有效密封；某航天器充气阀已多次出现低压泄漏情况。若为了满足低压时密封比压满足要求，高压时的密封比压就会远高于非金属的许用密封比压力，密封结构可能遭到破坏。为了减小气压力对密封比压的影响，就要大大提高弹簧力。这就会带来弹簧体积及整阀体积增加，从而带来重量增加。
专利文献CN211693499U公开了一种球瓶用径向结合轴向双密封结构，所述球瓶的瓶体内侧壁与球瓶的检修口内侧壁相接处设置有凸肩，所述瓶体内设置有可移动的用于密封检修口的内密封件，所述内密封件设置有与所述凸肩匹配的锥形密封部和阶梯密封部。本实用新型通过设置自下而上、由内至外用于密封检修口的内密封件，当瓶体内充满高压气体后，瓶体内的高压气体由内而外对内密封件施加压力，将内密封件压紧贴合凸肩，但该设计不适用于频繁开关的大压力跨度的密封结构。
为避免现有技术的不足，并彻底解决传统结构存在的问题，需要设计一种新型的密封结构。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种阶梯密封结构及适用于大压力跨度的阀体结构。
根据本发明提供的一种阶梯密封结构，包括座体以及配合芯；
所述座体上设置有凸出端面以及座体流道，所述凸出端面沿所述座体流道的周向布置且所述凸出端面沿所述座体的径向向外依次设置有第一刃口、第二刃口，沿所述凸出端面凸出的方向上所述第一刃口凸出到所述第二刃口的外部；
当所述配合芯受到朝向所述座体的第一压力挤压时，所述配合芯与所述第一刃口密封贴合；当所述配合芯受到朝向所述座体的第二压力挤压时，所述配合芯与所述第一刃口、第二刃口均密封贴合，其中，第二压力大于第一压力。
优选地，沿所述座体的径向方向上所述第一刃口的宽度小于所述第二刃口的宽度。
优选地，所述第二压力的最大取值为35MPa，所述第一压力的最小取值为4.5MPa。
优选地，所述凸出端面采用钛合金材质制作，所述配合芯采用聚三氟氯乙稀材质制作。
优选地，所述配合芯的许用密封比压为45MPa。
优选地，所述第一刃口与第二刃口的连接处平滑过渡。
根据本发明提供的一种适用于大压力跨度的阀体结构，包括前底座、阀体、阀芯组件、弹性体、后底座以及权利要求至任一项所述的阶梯密封结构；
所述前底座、后底座分别安装在所述阀体的前端、后端并共同围绕形成容置空间，所述座体、阀芯组件依次设置在所述容置空间中；
所述配合芯设置在所述阀芯组件朝向所述座体的一端，所述阀芯组件朝向后底座的一端设置有容纳腔室，所述弹性体安装在所述容纳腔室中并延伸到所述容纳腔室的外部连接所述后底座。
优选地，所述第一刃口、第二刃口均为环形结构。
优选地，所述配合芯为环形结构且当所述配合芯受到朝向所述座体的第二压力挤压时，所述配合芯横截面能够覆盖所述第一刃口、第二刃口。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明阀座刃口采用阶梯双刃口形式，与阀芯组件上的配合芯一起形成软对硬阶梯双刃口密封结构，适用于大跨度压力工况，结构简单，设计巧妙，解决了现有技术中整阀体积大、重量大的缺陷。
2、本发明中的凸出端面采用钛合金材质、配合芯采用聚三氟氯乙稀材质，实现了软硬密封配合的结构，实现了大跨度压力变化下的密封效果且增加密封面的使用寿命。
3、本发明中的凸出端面采用阶梯双刃口结构，分为窄刃口和宽刃口，在低压下窄刃口起作用，密封比压保持在较高状态，随着压力升高，阀芯组件在高压作用下，宽刃口开始起密封作用，并对窄刃口起限位作用，使密封比压不至于高于非金属的许用密封比压，满足在大压力跨度下高压、低压均能长时可靠密封，且重量轻等要求。
4、本发明中第一刃口与第二刃口的连接处平滑过渡，避免配合芯结构损坏，能够延长配合芯的使用寿命。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明适用于大压力跨度的阀体结构横截面的结构示意图；
图2为凸出端面的结构示意图；
图3为空载下密封副的结构示意图；
图4为低压下密封副的结构示意图；
图5为高压下密封副的结构示意图。
图中示出：
前底座1 凸出端面8
座体2 第一刃口9
阀体3 第二刃口10
阀芯组件4 座体流道11
弹性体5 容置空间12
后底座6 容纳腔室13
配合芯7
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
本发明提供了一种阶梯密封结构，如图2所示，包括座体2以及配合芯7，座体2上设置有凸出端面8以及座体流道11，凸出端面8沿座体流道11的周向布置且凸出端面8沿座体2的径向向外依次设置有第一刃口9、第二刃口10，沿凸出端面8凸出的方向上第一刃口9凸出到第二刃口10的外部，当配合芯7受到朝向座体2的第一压力挤压时，配合芯7与第一刃口9密封贴合；当配合芯7受到朝向座体2的第二压力挤压时，配合芯7与第一刃口9、第二刃口10均密封贴合，其中，第二压力大于第一压力，第一刃口9与第二刃口10的连接处平滑过渡。
具体地，凸出端面8优选采用钛合金材质制作，配合芯7优选采用聚三氟氯乙稀材质制作，本发明采用软对硬阶梯双刃口密封结构，解决了大跨度压力范围内的密封问题，能够得到在全压力范围内均能可靠密封，且重量轻的有益效果。
沿座体2的径向方向上第一刃口9的宽度小于第二刃口10的宽度，第二压力的最大取值为35MPa，第一压力的最小取值为4.5MPa。配合芯7的许用密封比压为45MPa。
本发明还提供了一种适用于大压力跨度的阀体结构，如图1所示，包括前底座1、阀体3、阀芯组件4、弹性体5、后底座6以及阶梯密封结构，前底座1、后底座6分别安装在阀体3的前端、后端并共同围绕形成容置空间12，座体2、阀芯组件4依次设置在容置空间12中，配合芯7设置在阀芯组件4朝向座体2的一端，阀芯组件4朝向后底座6的一端设置有容纳腔室13，弹性体5安装在容纳腔室13中并延伸到容纳腔室13的外部连接后底座6。
第一刃口9、第二刃口10均为环形结构，配合芯7为环形结构且当配合芯7受到朝向座体2的第二压力挤压时，配合芯7横截面能够覆盖第一刃口9、第二刃口10。
实施例2：
本实施例为实施例1的优选例。
本实施例中，弹性体5采用弹簧，座体2的刃口采用阶梯双刃口结构，分为第一刃口9、第二刃口10，第一刃口9为窄刃口，第二刃口10为宽刃口，在低压下窄刃口起作用，密封比压保持在较高状态。随着压力升高，阀芯组件4在高压作用下，继续朝向座体2移动，宽刃口开始起密封作用，并对窄刃口起限位作用，使密封比压不至于高于非金属的许用密封比压力。
下面对本发明的工作过程进行描述。
某航天器充气阀中，如图1所示，高压气体从压力进口进入，依次通过前底座1的内孔、座体2的座体流道11后，作用在阀芯组件4上，在克服弹簧的弹簧力后，将阀芯组件4打开。高压气体通过后底座6内孔进入高压气瓶。
充气完成后，压力进口处的压力为大气压，在太空中则为真空，阀芯组件4在气瓶压力的高压气体作用下紧紧压在座体2的刃口上形成由配合芯7和凸出端面8组成的密封副。气瓶初始压力为35MPa，随着航天器的使用消耗，最终气体压力为4.5MPa，这就要求密封副在35MPa到4.5MPa范围内均能可靠密封。
阀门密封采用常用的“软—硬”密封，“软”为聚三氟氯乙稀材质制成的配合芯7，其许用密封比压为45MPa；“硬”为钛合金制成的凸出端面8。已知：高压工作压力P1＝35MPa，低压工作压力P2＝4.5MPa，阀门关闭时弹簧力F＝80N，阀门通径d＝5㎜。
采用传统平面密封时，刃口宽度b＝1.35mm，高压工作时的密封比压为44.1MPa，已接近聚三氟氯乙稀材料的许用密封比压。根据Q/QJA78-2011中公式进行理论计算，在低压4.5MPa时，必需的密封比压约为27.7MPa。但低压工作时密封副的密封比压仅为8.3MPa，低于所需的密封比压。实际使用中也确实出现在低压4.5MPa泄漏的情况。
采用本专利阶梯双刃口密封时，取宽刃口宽度b1＝1.35mm，窄刃口宽度b2＝0.3mm。高压工作时的密封比压为44.1MPa，低于聚三氟氯乙稀材料的许用密封比压，但低压工作时密封比压由原有的8.3MPa提高至35.9MPa。可以保障充气阀在全压力范围内长时可靠密封。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种阶梯密封结构，其特征在于，包括座体(2)以及配合芯(7)；
所述座体(2)上设置有凸出端面(8)以及座体流道(11)，所述凸出端面(8)沿所述座体流道(11)的周向布置且所述凸出端面(8)沿所述座体(2)的径向向外依次设置有第一刃口(9)、第二刃口(10)，所述第一刃口(9)与第二刃口(10)的连接处平滑过渡，沿所述凸出端面(8)凸出的方向上所述第一刃口(9)凸出到所述第二刃口(10)的外部；
当所述配合芯(7)受到朝向所述座体(2)的第一压力挤压时，所述配合芯(7)与所述第一刃口(9)密封贴合；当所述配合芯(7)受到朝向所述座体(2)的第二压力挤压时，所述配合芯(7)与所述第一刃口(9)、第二刃口(10)均密封贴合，其中，第二压力大于第一压力；
沿所述座体(2)的径向方向上所述第一刃口(9)的宽度小于所述第二刃口(10)的宽度；
所述凸出端面(8)采用钛合金材质制作，所述配合芯(7)采用聚三氟氯乙稀材质制作；
凸出端面(8)与配合芯(7)一起形成软对硬阶梯双刃口密封结构，其中，在低压下第一刃口(9)起密封作用，在高压下第二刃口(10)起密封作用并对第一刃口(9)起限位作用使得密封比压小于或等于非金属的许用密封比压。
2.根据权利要求1所述的阶梯密封结构，其特征在于，所述第二压力的最大取值为35MPa，所述第一压力的最小取值为4.5MPa。
3.根据权利要求1所述的阶梯密封结构，其特征在于，所述配合芯(7)的许用密封比压为45MPa。
4.一种适用于大压力跨度的阀体结构，其特征在于，包括前底座(1)、阀体(3)、阀芯组件(4)、弹性体(5)、后底座(6)以及权利要求1至3中任一项所述的阶梯密封结构；
所述前底座(1)、后底座(6)分别安装在所述阀体(3)的前端、后端并共同围绕形成容置空间(12)，所述座体(2)、阀芯组件(4)依次设置在所述容置空间(12)中；
所述配合芯(7)设置在所述阀芯组件(4)朝向所述座体(2)的一端，所述阀芯组件(4)朝向后底座(6)的一端设置有容纳腔室(13)，所述弹性体(5)安装在所述容纳腔室(13)中并延伸到所述容纳腔室(13)的外部连接所述后底座(6)。
5.根据权利要求4所述的适用于大压力跨度的阀体结构，其特征在于，所述第一刃口(9)、第二刃口(10)均为环形结构。
6.根据权利要求5所述的适用于大压力跨度的阀体结构，其特征在于，所述配合芯(7)为环形结构且当所述配合芯(7)受到朝向所述座体(2)的第二压力挤压时，所述配合芯(7)横截面能够覆盖所述第一刃口(9)、第二刃口(10)。
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