某无泄漏单向阀结构的分析与应用.pdf
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1、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
2、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
3、 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 r
4、eplace 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
5、,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 W
6、orkbench 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
7、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
8、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
9、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
10、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
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