CN116822085A - 一种球形止口-锥面半静密封结构及其密封比压求解方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械密封安全技术领域，尤其涉及一种球形止口‑锥面半静密封结构，包括壳体，阀芯密封副，阀座密封副；所述阀芯密封副位于所述壳体内部并在所述壳体约束下做往复运动，所述阀芯密封副与所述阀座密封副的接触部位设有锥形凹槽，所述锥形凹槽的锥面与所述阀芯密封副底面之间存在夹角；所述阀座密封副与所述阀芯密封副的接触部位设有球形止口，所述球形止口的圆弧面通过与所述阀芯锥面相切配合实现密封。本发明还提供了一种球形止口‑锥面半静密封结构的密封比压求解方法，可以有效保证球形止口‑锥面半静密封结构的密封区域一致性，并对其密封比压进行设计校核，求解迅速，可应用于弹簧式阀门零件半静密封结构的设计过程。

Description

一种球形止口-锥面半静密封结构及其密封比压求解方法

技术领域

本发明涉及机械密封安全技术领域，尤其涉及一种球形止口-锥面半静密封结构及其密封比压求解方法。

背景技术

弹簧式阀门零件因其低成本、高可靠性及快速响应等特点，广泛应用于航空航天、输气管道及汽车船舶等军工及民用场合，其通过阀芯密封副的往复动作控制阀门的启闭，从而实现调节管路压力、流量及流向等功能，保护系统安全。该类阀门多为R形止口与平面配合的半静密封结构，其密封副接触区域较小，在相同弹簧载荷的作用下具有较大的密封比压，有效保证阀门的密封性能。

然而，为保证阀芯密封副顺利运作，阀门导向结构多为间隙配合，导向间隙的存在与弹簧偏心现象极易引起阀芯密封副位姿的偏转，致使多次动作后阀芯密封副与R形止口配合区域接触压力分布不均甚至局部区域未接触，密封副形成泄漏通道从而导致阀门半静密封失效。

因此，需提出一种新的密封结构及其密封比压计算方法，来保证多次动作后阀芯密封副与阀座止口接触区域与表面压痕的一致性，从而实现弹簧式阀门的可靠密封。

发明内容

本发明针对现有技术的局限性和缺陷,提出了一种球形止口-锥面半静密封结构密封比压求解方法，该方法结合弹簧式阀门半静密封结构特点，虑及导向间隙对阀芯位姿及密封副接触压力的影响，提出一种球形止口-锥面半静密封结构，借助球形止口“各向同性”的特点与倾斜锥面的导向作用，保证多次动作后阀芯与球形止口接触区域与表面压痕的一致性，从而实现弹簧式阀门的可靠密封。本发明还提出的一种球形止口-锥面半静密封结构的阀芯锥面具有一定的倾角，可以诱导球形止口的回座，而球形止口与阀芯锥面的各接触点距球形止口所在圆的球心的距离相等，可以有效保证密封区域接触压力的均匀性和一致性，还提出了一种球形止口-锥面半静密封结构的密封比压求解方法，该方法能够较为快速地求解球形止口-锥面半静密封结构的接触宽度及等效密封比压，进而指导半静密封结构设计及其几何参数的选取，有效提升此类弹簧式阀门的服役性能。

一种基于上述一种球形止口-锥面半静密封结构的密封比压求解方法，包括：

步骤S1：设计所述球形止口-锥面半静密封结构的几何参数及所述几何参数的约束条件；

步骤S2：结合所述几何参数，求解所述球形止口-锥面半静密封结构中所述球形止口与所述阀芯密封副的接触宽度；

步骤S21：结合所述几何参数计算所述球形止口-锥面半静密封结构中所述球形止口与所述阀芯密封副的接触区域总长度L和总载荷F；

步骤S22：对所述球形止口进行受力分析，结合所述接触区域总长度L和所述总载荷F，计算所述接触区域所受法向载荷F_N和垂直于所述球形止口接触区域的单位长度载荷f_N；

步骤S23：结合所述单位长度载荷f_N和密封结构材料等效杨氏模量E_*，计算所述接触区域的赫兹接触半宽b；

步骤S3:结合所述接触宽度，求解与校核球形止口-锥面半静密封结构密封比压。

进一步地，所述步骤S1包括：

设计所述阀芯锥面倾角为θ，所述锥面底面直径为D，所述阀芯锥面高度为H；

设计所述阀座密封副的通径大小为d，所述球形止口所在圆的半径为SR，球心为O，所述球形止口所在圆的球心O位于所述阀座密封副的竖直对称轴线上；此外，设点O_i为所述球形止口顶端圆角的圆心，所述圆角分别与所述球形止口所在圆及流道壁面相切，半径为r_i，i＝1，2，3……，切角为

进一步地，为保证所述阀芯密封副多次往复运动中与所述阀座密封副的接触区域保持不变，同时满足所述通径存在的要求，所述阀芯密封副需满足所述锥面底面直径D＞d，所述阀芯锥面倾角θ＞0；且还需保证所述球形止口与所述阀芯锥面相切，因此，所述球形止口-锥面半静密封结构应满足以下约束条件：

即所述球形止口-锥面半静密封结构几何参数应满足：

进一步地，所述步骤S21包括：

依据设定的所述几何参数，在所述球形止口与所述阀芯锥面相切的基础上，所述接触区域总长度L为：

L＝2πSRsinθ (3)

所述球形止口-锥面半静密封结构总载荷F可由下式求得：

F＝F_T-F_L＝F₀+kl-ΔPS (4)

式中，F_T＝F₀+kl为阀芯密封副所受弹簧力，F₀为球形止口的球面与锥面底面配合时所受弹簧力，k为弹簧刚度系数，为弹簧相对位移，F_L＝ΔPS为流体作用于阀芯密封副表面合力，ΔP为密封压差，S＝π(SRsinθ)²为流体作用于阀芯密封副表面的面积。

进一步地，所述步骤S22包括：

对所述球形止口进行受力分析可得：

F_N×cosθ+F_f×sinθ＝F (5)

式中，F_N为垂直于球形止口接触区域的法向载荷，F_f＝μF_N为球形止口所受摩擦力，μ为摩擦系数；

则所述接触区域所受法向载荷F_N为：

由所述接触区域所受法向载荷F_N以及所述接触区域总长度L，求解得到垂直于所述球形止口接触区域的单位长度载荷f_N为：

进一步地，所述步骤S23包括：

已知所述密封结构材料等效杨氏模量E_*可由下式求得：

其中，E₁、E₂分别为两种密封结构材料的杨氏模量，V₁、V₂分别为两种材料的泊松比；

则由赫兹接触理论求得所述球形止口-锥面半静密封结构接触区域的所述赫兹接触半宽b为：

进一步地，所述步骤S3包括：

对于球形止口-锥面半静密封结构，保持密封所需的最小密封比压q_min可由下式求得：

式中，C、K均为与材料特性相关的无量纲常数；

则所述球形止口-锥面半静密封结构的等效密封比压q为：

采用密封比压比法进行密封设计校核，设计等效密封比压需满足：

q_min≤q≤[q] (12)

式中，[q]为许用密封比压。

本发明还提供了一种球形止口-锥面半静密封结构，包括：

壳体，阀芯密封副，阀座密封副；

所述阀芯密封副位于所述壳体内部并在所述壳体约束下做往复运动，所述阀芯密封副上与所述阀座密封副的接触部位设有锥形凹槽，所述锥形凹槽的锥面与所述阀芯密封副底面之间存在夹角；

所述阀座密封副与所述阀芯密封副的接触部位设有球形止口，所述球形止口的圆弧面通过与所述阀芯锥面相切配合实现密封。

本发明借助阀芯锥面的导向作用诱导阀芯密封副回座，并鉴于球形止口所在圆的球心与阀芯锥面的各接触点距离相同，引入球形止口结构以实现即使阀芯密封副偏心，阀芯密封副接触区域与所受流体载荷仍能保持不变，从而保证多次回座后密封副接触压力的均匀性以及弹塑性变形区域的一致性，从根本上避免导向间隙对弹簧式阀门启闭过程及密封性能的影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种球形止口-锥面半静密封结构，针对R形止口-平面密封结构中导向间隙影响下的阀芯密封副偏心问题，借助锥面的导向作用诱导阀芯回座，引入球形止口结构保证多次回座后密封副接触压力与弹塑性压痕的一致性，从而在根本上避免导向间隙对阀芯密封副动作过程及阀门密封性能的影响。

2、本发明提供的一种球形止口-锥面半静密封结构的密封比压求解方法，分析球形止口-锥面半静密封结构及其接触特点，设计球形止口及阀芯密封副的几何参数；结合阀门密封结构尺寸及材料特性，求解密封副的接触宽度；综合阀门载荷及密封副接触宽度，求解出球形止口-锥面半静密封结构的等效密封比压，并对其密封比压进行设计校核，求解迅速，可应用于弹簧式阀门零件半静密封结构的设计过程。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为本发明一种球形止口-锥面半静密封结构及其密封比压求解方法的整体流程图；

图2为本发明一种球形止口-锥面半静密封结构的截面示意图；

图3为本发明一种球形止口-锥面半静密封结构的密封副局部示意图；

图4为本发明一种球形止口-锥面半静密封结构的球形止口结构示意图；

图5为本发明一种球形止口-锥面半静密封结构的圆柱形-平面结构接触区域示意图；

图6为本发明一种球形止口-锥面半静密封结构及其密封比压求解方法的等效密封比压与最小密封比压随球形止口半径SR的变化规律；

图7为本发明一种球形止口-锥面半静密封结构及其密封比压求解方法的等效密封比压与最小密封比压随阀芯锥面倾斜角度θ的变化曲线；

图8为本发明一种球形止口-锥面半静密封结构及其密封比压求解方法的等效密封比压与最小密封比压随密封副压差ΔP的变化曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及具体实施方式,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1-8，本发明提供了一种球形止口-锥面半静密封结构的密封比压求解方法，包括：

步骤S1：

在具体实施中，设阀座密封副通径为d＝6mm，阀芯锥面倾斜角度为θ＝30°，球形止口所在圆的半径为SR＝12mm，球形止口顶端圆角半径r＝0.5mm，圆角与球面的切角此外，锥面底面直径为D＝8mm，阀芯密封副的锥面高度为H＝3mm。将上述结构参数代入式(2)，判断球形止口几何参数范围为：

由上式判断可知，阀芯密封副与阀座密封副相切且不会发生干涉，球形止口几何参数满足设计要求。

步骤S2：

在具体实施中，如附图5所示，在法向载荷F_N的作用下，球形止口与阀芯锥面紧密接触，通过非金属材料的挤压弹性变形实现密封，其中，球形止口-锥面半静密封结构的接触范围实际为接触长度为L，宽度为2b的矩形区域。已知球形止口的球面与阀芯锥面相切接触，则由式(3)求解得到接触区域总长度L为：

L＝2πSRsinθ＝37.7mm

已知球形止口的球面与锥面底面配合时所受弹簧载荷为F₀＝100N，弹簧刚度系数为k＝5000N/m，密封压差为ΔP＝0.5MPa，此外，弹簧相对位移及流体作用于阀芯密封副表面的面积S可分别求得：

S＝π(SRsinθ)²＝113.1mm²

则总载荷F可由式(4)求得：

F＝F₀+kl-ΔPS＝49.22N

在具体实施中，取摩擦系数μ＝0.3，则法向载荷F_N可由式(6)求得：

通过式(5)-式(7)可求解得到垂直于球形止口接触区域的单位长度载荷f_N：

在具体实施中，已知两种密封结构材料的杨氏模量分别为E₁＝199GPa、E₂＝0.447GPa，泊松比分别为v₁＝0.3GPa、v₂＝0.4GPa，则密封结构材料的等效杨氏模量E_*可由式(8)求得：

则通过式(9)求得接触区域的赫兹接触半宽b为：

步骤S3：

在具体实施中，与R形-平面密封结构相似，球形止口-锥面半静密封结构的密封性能主要取决于密封副的圆环形接触区域，基于上式求得的密封副接触区域法向载荷及接触宽度，求解球形止口-锥面半静密封结构的等效密封比压，并对求得的阀门密封比压进行校核，判断是否满足弹簧式阀门的服役性能。同样的，根据上述方法求得的等效密封比压值小于阀门密封副实际所受极限密封比压，故求解得到的弹簧载荷偏大，有利于阀门的半静密封性能。

在具体实施中，对于聚全氟乙丙烯Fs-46材料，取C＝16，K＝0.9，则保持球形止口-锥面配合密封所需的最小密封比压q_min可由式(10)求得：

此外，球形止口-锥面半静密封结构的设计等效密封比压q可由式(11)求解得到：

采用密封比压比法进行密封设计校核，设计等效密封比压满足式(12)：

q_min＝2.29MPa≤q＝6.68MPa≤[q]＝20MPa

式中，[q]为许用密封比压，聚全氟乙丙烯Fs-46材料取20-30MPa。

至此，求解得到了球形止口-锥面半静密封结构的等效密封比压，其设计校核结果表明，上述结构及几何参数下密封结构具有良好的密封性能。

实施例2

为探究球形止口-锥面半静密封结构的设计等效密封比压q随球形止口半径SR、阀芯锥面倾斜角度θ以及密封压差ΔP等参数的变化规律，基于上述材料特性进行密封比压快速求解与校核。

其他参数保持不变，若阀座密封副的球形止口所在圆半径在SR＝[9mm，16mm]区间内变化，则根据该密封比压求解方法可分别求解得到如附图6所示的等效密封比压与最小密封比压随球形止口所在圆半径SR的变化规律，其中，设计等效密封比压随球形止口所在圆半径SR的增大逐渐减小，而最小密封比压随球形止口所在圆半径SR的增大逐渐增加；当球形止口所在圆半径SR＞15.5mm时，设计等效密封比压不满足最小密封比压，密封失效。

当阀芯密封副锥面倾斜角度在θ＝(20°，45°)区间内变化时，设计等效密封比压与最小密封比压随阀芯锥面倾斜角度θ的变化规律如附图7所示，其中，设计等效密封比压随阀芯锥面倾斜角度θ的增大逐渐减小，而最小密封比压随阀芯锥面倾斜角度θ的增大逐渐增大；当倾斜角度θ＞42.8°时，设计等效密封比压不满足最小密封比压，密封失效。

当密封结构内外压差在ΔP＝[0，0.9MPa]区间内变化，设计等效密封比压与最小密封比压随密封副压差ΔP的变化规律如附图8所示，其中，设计等效密封比压随密封副压差ΔP的增大逐渐减小，而最小密封比压随密封副压差ΔP的增大而增大；当密封副压差ΔP＞0.75MPa时，设计等效密封比压不满足最小密封比压，密封失效。

综上所述，本方法能够有效保证多次回座后球形止口-锥面半静密封结构中的阀芯密封副与阀座密封副之间接触压力与弹塑性压痕的一致性，在根本上避免导向间隙对阀芯密封副动作过程及阀门密封性能的影响，并且较为快速准确地求解给定工况下球形止口-锥面半静密封结构的等效密封比压，判断密封结构设计密封比压与最小密封比压的变化趋势及相对关系，可应用于半静密封结构的优化设计，对提高弹簧式阀门的服役及密封性能具有重要应用意义。

实施例3

请参阅图2-3，本实施例提供了一种球形止口-锥面半静密封结构，包括：

壳体，阀芯密封副，阀座密封副；

阀芯密封副位于壳体内部并在壳体约束下做往复运动，阀芯密封副上与阀座密封副的接触部位设有锥形凹槽，锥形凹槽的锥面与阀芯密封副底面之间存在夹角；

阀座密封副与阀芯密封副的接触部位设有球形止口，球形止口的圆弧面通过与阀芯锥面相切配合实现密封。

在具体实施中，弹簧式阀门密封副主要由阀芯密封副及阀座密封副组成，此外壳体约束阀芯密封副运动，同时影响阀门的半静密封性能。理想状态下，阀芯密封副沿与阀座密封副重合的轴线往复运动，稳态下与阀座密封副同轴配合，多次动作过程中阀芯密封副与阀座密封副的接触区域均保持不变，且密封区域接触压力分布均匀，阀门密封副具有良好的密封性能。极端工况下，阀芯密封副在导向间隙与弹簧偏心的影响下发生偏转，导致阀芯密封副与阀座密封副之间配合面沿阀芯密封副轴线发生倾斜，此时阀座密封副接触区域及触点发生变化，但由于阀座密封副为球形止口，球面各点距球形止口所在圆球心距离相等，且阀芯密封副在弹簧载荷的作用下压紧在阀座密封副上，因此阀芯密封副接触面及弹塑性变形区域保持不变，始终垂直于阀芯密封副轴线方向，使球形止口-锥面半静密封结构表面接触压力分布均匀，可以有效保证球形止口-锥面半静密封结构的服役性能。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种球形止口-锥面半静密封结构的密封比压求解方法，其特征在于，包括：

步骤S1：设计所述球形止口-锥面半静密封结构的几何参数及所述几何参数的约束条件；

步骤S2：结合所述几何参数，求解所述球形止口-锥面半静密封结构中所述球形止口与所述阀芯密封副的接触宽度；

步骤S21：结合所述几何参数计算所述球形止口-锥面半静密封结构中所述球形止口与所述阀芯密封副的接触区域总长度L和总载荷F；

步骤S22：对所述球形止口进行受力分析，结合所述接触区域总长度L和所述总载荷F，求解所述接触区域所受法向载荷F_N和垂直于所述球形止口接触区域的单位长度载荷f_N；

步骤S23：结合所述单位长度载荷f_N和密封结构材料参数，求解所述接触区域的赫兹接触半宽b；

步骤S3:结合所述接触区域的赫兹接触半宽b，求解与校核球形止口-锥面半静密封结构密封比压。

2.根据权利要求1所述的球形止口-锥面半静密封结构的密封比压求解方法，其特征在于：所述步骤S1包括：

设计所述阀芯锥面倾角为θ，所述锥面底面直径为D，所述阀芯锥面高度为H；

设计所述阀座密封副的通径大小为d，所述球形止口所在圆的半径为SR，球心为O，所述球形止口所在圆的球心O位于所述阀座密封副的竖直对称轴线上；此外，设点O_i为所述球形止口顶端圆角的圆心，所述圆角分别与所述球形止口所在圆及流道壁面相切，半径为r_i，i＝1，2，3……，切角为

3.根据权利要求2所述的球形止口-锥面半静密封结构的密封比压求解方法，其特征在于：

为保证所述阀芯密封副多次往复运动中与所述阀座密封副的接触区域保持不变，同时满足所述通径存在的要求，所述阀芯密封副需满足所述锥面底面直径D>d，所述阀芯锥面倾角θ>0；且还需保证所述球形止口与所述阀芯锥面相切，因此，所述球形止口-锥面半静密封结构应满足以下约束条件：

即所述球形止口-锥面半静密封结构几何参数应满足：

其中，θ为阀芯锥面倾斜角度，为切角，d为阀座密封副的通径大小，D为锥面底面直径，H为阀芯锥面高度，SR为球形止口所在圆的半径，r为圆角半径。

4.根据权利要求2所述的球形止口-锥面半静密封结构的密封比压求解方法，其特征在于：所述步骤S21包括：

依据设定的所述几何参数，在所述球形止口与所述阀芯锥面相切的基础上，所述接触区域总长度L为：

L＝2πSRsinθ (3)

所述球形止口-锥面半静密封结构总载荷F可由下式求得：

F＝F_T-F_L＝F₀+kl-ΔPS (4)

式中，F_T＝F₀+kl为阀芯密封副所受弹簧力，F₀为球形止口的球面与锥面底面配合时所受弹簧力，k为弹簧刚度系数，为弹簧相对位移，F_L＝ΔPS为流体作用于阀芯密封副表面合力，ΔP为密封压差，S＝π(SRsinθ)²为流体作用于阀芯密封副表面的面积，θ为阀芯锥面倾斜角度，SR为球形止口所在圆的半径，D为锥面底面直径。

5.根据权利要求2所述的球形止口-锥面半静密封结构的密封比压求解方法，其特征在于：所述步骤S22包括：

对所述球形止口进行受力分析可得：

F_N×cosθ+F_f×sinθ＝F (5)

式中，F_N为垂直于球形止口接触区域的法向载荷，F_f＝μF_N为球形止口所受摩擦力，μ为摩擦系数，θ为阀芯锥面倾斜角度；

则所述接触区域所受法向载荷F_N为：

由所述接触区域所受法向载荷F_N以及所述接触区域总长度L，求解得到垂直于所述球形止口接触区域的单位长度载荷f_N为：

式中，L为接触区域总长度，F₀为球形止口的球面与锥面底面配合时所受弹簧力，k为弹簧刚度系数，SR为球形止口所在圆的半径，ΔP为密封压差，D为锥面底面直径。

6.根据权利要求2所述的球形止口-锥面半静密封结构的密封比压求解方法，其特征在于：所述步骤S23包括：

已知所述密封结构材料等效杨氏模量E_*可由下式求得：

其中，E₁、E₂分别为两种密封结构材料的杨氏模量，V₁、V₂分别为两种材料的泊松比；

则由赫兹接触理论求得所述球形止口-锥面密封结构接触区域的所述赫兹接触半宽b为：

式中，f_N为球形止口接触区域的单位长度载荷，SR为球形止口所在圆的半径，E_*为密封结构材料等效杨氏模量。

7.根据权利要求2所述的球形止口-锥面半静密封结构的密封比压求解方法，其特征在于：所述步骤S3包括：

对于球形止口-锥面半静密封结构，保持密封所需的最小密封比压q_min可由下式求得：

式中，C、K均为与材料特性相关的无量纲常数，ΔP为密封压差，b为赫兹接触半宽；

则所述球形止口-锥面半静密封结构的等效密封比压q为：

式中，F_N为垂直于球形止口接触区域的法向载荷，L为接触区域总长度，b为赫兹接触半宽；

采用密封比压比法进行密封设计校核，设计等效密封比压需满足：

q_min≤q≤[q] (12)

式中，[q]为许用密封比压。

8.一种用于执行如权利要求1-7中任意一项所述的球形止口-锥面半静密封结构的密封比压求解方法的球形止口-锥面半静密封结构，其特征在于，包括：

壳体，阀芯密封副，阀座密封副；

所述阀芯密封副位于所述壳体内部并在所述壳体约束下做往复运动，所述阀芯密封副上与所述阀座密封副的接触部位设有锥形凹槽，所述锥形凹槽的锥面与所述阀芯密封副底面之间存在夹角；

所述阀座密封副与所述阀芯密封副的接触部位设有球形止口，所述球形止口的圆弧面通过与所述阀芯锥面相切配合实现密封。